Công nghệ PCB - Tóm tắt kinh nghiệm thiết kế bảng mạch in

1. Kích thước của bảng mạch in và bố trí của thiết bị

Kích thước PCB phải vừa phải. Khi nó quá lớn, dòng in sẽ dài và trở kháng sẽ tăng lên, điều này không chỉ làm giảm sức đề kháng tiếng ồn mà còn làm tăng chi phí. Về cách bố trí thiết bị, cũng như các mạch logic khác, các thiết bị liên quan đến nhau nên càng gần nhau càng tốt để có khả năng chống nhiễu tốt hơn. Đầu vào đồng hồ của máy phát đồng hồ, bộ dao động tinh thể và CPU đều dễ bị nhiễu, vì vậy chúng nên ở gần nhau hơn. Điều rất quan trọng là các thiết bị dễ bị nhiễu, mạch điện thấp và mạch điện cao nên tránh xa mạch logic càng xa càng tốt. Nếu có thể, một bảng mạch riêng biệt nên được thực hiện.

2. Cấu hình tụ điện tách rời

Trong vòng lặp nguồn DC, sự thay đổi tải có thể gây ra tiếng ồn nguồn. Ví dụ, trong một mạch kỹ thuật số, khi một mạch thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, một dòng điện đột biến lớn được tạo ra trên đường dây điện, tạo ra một điện áp nhiễu thoáng qua. Cấu hình của tụ điện tách rời có thể ngăn chặn tiếng ồn gây ra bởi sự thay đổi tải, một thực tế phổ biến trong thiết kế độ tin cậy của bảng mạch in.

Nguyên tắc cấu hình như sau:

Một tụ điện điện phân 10-100uF được kết nối ở cả hai đầu của đầu vào nguồn. Khả năng chống nhiễu tốt hơn với tụ điện điện phân trên 100uF nếu vị trí của bảng mạch in cho phép.

Cấu hình một tụ gốm 0,01uF cho mỗi chip mạch tích hợp. Nếu không gian bảng mạch in nhỏ và không thể cài đặt, một tụ điện điện phân tantali 1-10uF có thể được cấu hình cho mỗi 4-10 chip. Thiết bị này có trở kháng tần số cao đặc biệt nhỏ, nhỏ hơn 1 trong khoảng 500kHz-20MHz. Và rò rỉ hiện tại là rất nhỏ (ít hơn 0,5uA).

Đối với các thiết bị có khả năng tiếng ồn yếu và thay đổi dòng điện lớn trong quá trình tắt và các thiết bị lưu trữ như ROM và RAM, tụ điện tách rời nên được kết nối trực tiếp giữa dây nguồn (VCC) và mặt đất (GND) của chip.

Dây dẫn của tụ điện tách rời không nên quá dài, đặc biệt là tụ điện bỏ qua tần số cao không nên có dây dẫn.

III. Thiết kế tản nhiệt PCB

Từ quan điểm thuận lợi cho tản nhiệt, bảng in tốt nhất nên được cài đặt thẳng đứng, khoảng cách giữa bảng và bảng không được nhỏ hơn 2 cm, và việc sắp xếp các thiết bị trên bảng in phải tuân theo các quy tắc nhất định:

1. Đối với các thiết bị sử dụng làm mát không khí đối lưu tự do, tốt nhất là sắp xếp mạch tích hợp theo chiều dọc (hoặc các thiết bị khác); Đối với các thiết bị sử dụng làm mát bằng không khí cưỡng bức, tốt nhất là sắp xếp mạch tích hợp (hoặc các thiết bị khác) theo chiều ngang.

2. Các thiết bị trên cùng một bảng in nên được sắp xếp càng nhiều càng tốt theo giá trị nhiệt và mức độ tản nhiệt của chúng. Các thiết bị có lượng nhiệt nhỏ hoặc khả năng chịu nhiệt kém (ví dụ: bóng bán dẫn tín hiệu nhỏ, mạch tích hợp nhỏ, tụ điện điện phân, v.v.) nên được đặt ở tầng trên cùng của luồng không khí làm mát (ở lối vào) và các thiết bị có lượng nhiệt lớn hoặc chịu nhiệt tốt (ví dụ: bóng bán dẫn công suất, mạch tích hợp lớn, v.v.) nên được đặt ở tầng dưới cùng của luồng không khí làm mát.

3. Theo hướng ngang, các thiết bị công suất cao được đặt càng gần cạnh của bảng in càng tốt để rút ngắn đường truyền nhiệt; Theo chiều dọc, các thiết bị công suất cao được đặt càng gần đầu bảng in càng tốt để giảm nhiệt độ của các thiết bị khác khi các thiết bị này hoạt động.

4. Thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ được đặt tốt nhất ở khu vực có nhiệt độ thấp nhất (chẳng hạn như dưới cùng của thiết bị). Không bao giờ đặt nó trực tiếp trên thiết bị sưởi ấm. Tốt nhất là so le nhiều thiết bị trên một bề mặt nằm ngang.

5. tản nhiệt của bảng mạch in trong thiết bị chủ yếu dựa vào luồng không khí, vì vậy đường dẫn luồng không khí nên được nghiên cứu khi thiết kế và thiết bị hoặc bảng mạch in được cấu hình hợp lý. Khi không khí di chuyển, nó luôn có xu hướng di chuyển ở những nơi có lực cản thấp, vì vậy khi cấu hình thiết bị trên bảng mạch in, tránh để lại không phận lớn trong một khu vực nhất định.

IV. Thiết kế tương thích điện từ

Khả năng tương thích điện từ đề cập đến khả năng của các thiết bị điện tử để phối hợp và hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường điện từ khác nhau. Mục đích của thiết kế tương thích điện từ là cho phép các thiết bị điện tử ức chế các nhiễu bên ngoài khác nhau, cho phép các thiết bị điện tử hoạt động bình thường trong một môi trường điện từ cụ thể, đồng thời giảm nhiễu điện từ từ chính các thiết bị điện tử khác.

1. Chọn chiều rộng đường hợp lý

Vì sự xáo trộn tác động của dòng điện thoáng qua trên dòng in chủ yếu là do cảm ứng của dòng in, hệ số cảm ứng của dòng in nên được giảm thiểu. Độ tự cảm của dây in tỷ lệ thuận với chiều dài của nó và tỷ lệ nghịch với chiều rộng, vì vậy dây ngắn và chính xác có lợi cho việc ức chế nhiễu. Các dây tín hiệu của đồng hồ dẫn, trình điều khiển hàng hoặc trình điều khiển xe buýt thường mang dòng điện thoáng qua lớn và dây in phải ngắn nhất có thể. Đối với mạch linh kiện tách, yêu cầu có thể được đáp ứng đầy đủ khi chiều rộng dòng in khoảng 1,5mm; Đối với mạch tích hợp, chiều rộng của dòng in có thể được lựa chọn từ 0,2mm đến 1,0mm.

2. Áp dụng chiến lược cáp đúng

Sử dụng hệ thống dây điện bằng nhau có thể làm giảm độ tự cảm của dây, nhưng sự tương tác và phân phối điện dung giữa các dây tăng lên. Nếu bố cục cho phép, tốt nhất là sử dụng cấu trúc dây giống như lưới. Phương pháp cụ thể là định tuyến một mặt của tấm in theo chiều ngang và một mặt khác của tấm in theo chiều ngang. Sau đó kết nối với các lỗ kim loại tại các lỗ chéo. Để hạn chế nhiễu xuyên âm giữa các dây dẫn của bảng mạch in, nên tránh các khoảng cách dài như cáp khi thiết kế cáp càng nhiều càng tốt.

V. Thiết kế dây đất

Trong các thiết bị điện tử, nối đất là một phương pháp quan trọng để kiểm soát nhiễu. Hầu hết các vấn đề gây nhiễu có thể được giải quyết nếu nối đất và che chắn được sử dụng kết hợp đúng cách. Cấu trúc nối đất của các thiết bị điện tử bao gồm hệ thống nối đất, nối đất khung (mặt đất được che chắn), nối đất kỹ thuật số (mặt đất logic) và nối đất tương tự. Thiết kế dây nối đất nên chú ý những điểm sau:

1. Chọn đúng điểm nối đất đơn và đa điểm nối đất

Trong mạch tần số thấp, tần số hoạt động của tín hiệu nhỏ hơn 1 MHz, điện cảm giữa hệ thống dây điện và thiết bị của nó không ảnh hưởng nhiều, dòng điện tuần hoàn được hình thành bởi mạch nối đất có ảnh hưởng lớn đến nhiễu, vì vậy một điểm nối đất nên được sử dụng. Khi tín hiệu hoạt động ở tần số lớn hơn 10 MHz, trở kháng mặt đất trở nên rất lớn. Tại thời điểm này, trở kháng mặt đất nên được giảm càng nhiều càng tốt và nối đất được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều điểm gần nhất. Khi tần số hoạt động là 1½ 10 MHz, nếu nối đất một điểm được sử dụng, chiều dài của dây mặt đất không được vượt quá 1/20 bước sóng, nếu không thì phải sử dụng phương pháp nối đất đa điểm.

2. Tách mạch kỹ thuật số khỏi mạch analog

Có cả mạch logic tốc độ cao và mạch tuyến tính trên bảng. Chúng nên được tách ra càng xa càng tốt, dây mặt đất của cả hai không nên trộn lẫn và nên được kết nối với dây mặt đất của thiết bị đầu cuối nguồn. Cố gắng tăng diện tích mặt đất của mạch tuyến tính.

3. Làm cho dây nối đất càng dày càng tốt

Nếu đường dây nối đất là tốt, tiềm năng nối đất sẽ thay đổi với sự thay đổi hiện tại, dẫn đến mức tín hiệu thời gian của thiết bị điện tử không ổn định và giảm hiệu suất chống ồn. Do đó, dây nối đất phải càng dày càng tốt để có thể đi qua dòng điện cho phép trên bảng mạch in. Nếu có thể, chiều rộng của dây nối đất phải lớn hơn 3 mm.

4. Tạo đường nối đất thành vòng khép kín

Khi PCB thiết kế hệ thống dây mặt đất của bảng mạch in chỉ bao gồm các mạch kỹ thuật số, làm cho dây mặt đất trở thành vòng kín có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ồn. Lý do là có rất nhiều thành phần mạch tích hợp trên bảng mạch in, đặc biệt là khi có các thành phần tiêu thụ nhiều năng lượng, do hạn chế về độ dày của dây mặt đất, sự khác biệt lớn về điện thế sẽ được tạo ra trên nút nối đất, dẫn đến giảm khả năng chống ồn. Nếu cấu trúc nối đất sẽ tạo thành một vòng lặp, sự khác biệt về điện thế sẽ giảm và khả năng chống ồn của thiết bị điện tử sẽ được cải thiện.