هنگام انجام طرح‌بندی PCB، همیشه از تداخل سیگنال، اتلاف حرارت ضعیف و مسیریابی نامرتب دلسرد می‌شوید؟ در واقع، تا زمانی که بر تکنیک های اصلی تسلط داشته باشید، به راحتی می توانید انواع چالش های چیدمان را مدیریت کنید! امروز، ما 9 روش چیدمان PCB هیبریدی فوق‌العاده کاربردی را گردآوری کرده‌ایم، از قرار دادن اجزا تا محافظت از لایه‌های پایین، که همگی حاوی اطلاعات عملی و بدون کرک هستند و به مبتدیان اجازه می‌دهد تا به سرعت شروع به کار کنند!

I. قرار دادن کامپوننت: برای قرار دادن صحیح اجزا و اجتناب از انحراف از "قوانین" پیروی کنید

قرار دادن نادرست مولفه همه مسیریابی های بعدی را بی فایده می کند! هنگام چیدمان کامپوننت‌ها، نه تنها باید مسیرهای سیگنال را در شماتیک دنبال کنید و فضای کافی برای ردیابی بگذارید، بلکه باید این 5 اصل را نیز به خاطر بسپارید:

• منابع تغذیه باید به‌طور فشرده به‌صورت خوشه‌ای، با طرح‌های جداشونده برای اطمینان از منبع تغذیه پایدار باشند.
• خازن های جداکننده باید در نزدیکی قطعات قرار گیرند تا حلقه های جریان را کوتاه کرده و نویز را کاهش دهند.
• اتصال دهنده ها باید مستقیماً در لبه برد برای اتصال آسان دستگاه خارجی بدون اشغال ناحیه هسته قرار گیرند.
• اجزای فرکانس بالا باید دقیقاً مطابق با جریان شماتیک قرار داده شوند تا از خراب شدن سیگنال جلوگیری شود.
• برای اتصال آسان به مدارهای اطراف، پردازنده ها، ژنراتورهای ساعت، دستگاه های ذخیره سازی بزرگ، و سایر "اجزای اصلی" باید در مرکز برد قرار گیرند.

II. ماژول های آنالوگ + دیجیتال: طرح بندی مجزا، بدون تداخل
سیگنال های آنالوگ و دیجیتال اغلب در تضاد هستند. به اشتراک گذاری مناطق می تواند به راحتی منجر به تداخل متقابل شود و در نتیجه عملکرد مدار ضعیفی داشته باشد! رویکرد صحیح این است که این دو را کاملاً از هم جدا کنیم. نکات کلیدی اینجاست:

• قطعات دقیق (مانند تقویت‌کننده‌ها و منابع ولتاژ مرجع) را روی صفحه آنالوگ قرار دهید و صفحه دیجیتال را به کنترل منطقی، بلوک‌های زمان‌بندی و دیگر "قطعات پر نویز" اختصاص دهید.
• ADC ها (مبدل های آنالوگ به دیجیتال) و DAC (مبدل های دیجیتال به آنالوگ) سیگنال های مختلط را مدیریت می کنند، بنابراین در نظر گرفتن آنها به عنوان اجزای آنالوگ قابل اطمینان تر است.
• طرح‌های ADC/DAC با جریان بالا باید دارای منبع تغذیه آنالوگ و دیجیتال جداگانه باشند (DVDD متصل به بخش دیجیتال، AVCC متصل به بخش آنالوگ).
• ریزپردازنده ها و میکروکنترلرها گرمای قابل توجهی تولید می کنند، بنابراین قرار دادن آنها در مرکز برد مدار و نزدیک به بلوک های مدار متصل به اتلاف گرمای کارآمدتر منجر می شود.

III. مسیریابی: کوتاه ترین و مستقیم ترین مسیر را انتخاب کنید، از این دام ها دوری کنید

بعد از اینکه اجزا در جای خود قرار گرفتند، مسیریابی در مورد "ساخت کانال های سیگنال" است. این 8 اصل را برای انتقال روان تر سیگنال به خاطر بسپارید:

• هرچه مسیر سیگنال کوتاه تر و مستقیم تر باشد، بهتر است، تاخیر و تداخل را کاهش می دهد.
• یک هواپیمای زمینی باید در کنار لایه های سیگنال با سرعت بالا قرار گیرد تا از بازگشت سیگنال طبیعی اطمینان حاصل شود.
• مدارهای پرسرعت باید دقیقاً مطابق با مسیر سیگنال شماتیک هدایت شوند و نمی توانند خودسرانه تغییر داده شوند.
• برای کاهش اندوکتانس از ردپای منبع تغذیه کوتاه، مستقیم و گسترده استفاده کنید.
• برای جلوگیری از تداخل اضافی، از ایجاد ردپاها و vias به شکل "شکل آنتن" خودداری کنید.
• ردپای مدارهای دیجیتال و آنالوگ را بدون عبور یا همپوشانی جدا نگه دارید.
• توجه بیشتری به ردیابی اتصال زمین به مناطق دیجیتال و آنالوگ داشته باشید.
• از انحراف‌ها و مسیرهای غیرضروری در طول فرآیند خودداری کنید و مسیر را ساده‌تر می‌کند و در عین حال از دست دادن سیگنال را کاهش می‌دهد.

IV. ماژول منبع تغذیه: منبع تغذیه مجاورتی + طراحی جداسازی - پایداری کلید است

منبع تغذیه "قلب" مدار است. چیدمان نامناسب به راحتی می تواند منجر به شکست کلی شود. دو نکته کلیدی وجود دارد:

• ماژول منبع تغذیه باید به اجزای منبع تغذیه نزدیک باشد در حالی که از مدارهای دیگر جدا شده است تا از انتشار نویز جلوگیری شود.
• برای دستگاه‌های پیچیده با چندین پایه منبع تغذیه، از ماژول‌های منبع تغذیه اختصاصی برای بخش آنالوگ و دیجیتال استفاده کنید تا تداخل نویز دیجیتال با سیگنال‌های آنالوگ را کاملاً از بین ببرید.
• خطوط برق باید از اصل "کوتاه، مستقیم، عریض" پیروی کنند تا محدودیت های اندوکتانس و جریان کاهش یابد و در نتیجه منبع تغذیه پایدارتر شود.

V. طراحی جداسازی: ایجاد یک محیط کم نویز برای به حداکثر رساندن عملکرد دستگاه

هسته جداسازی "فیلتر کردن نویز منبع تغذیه" است. نسبت رد منبع تغذیه (PSRR) به طور مستقیم عملکرد دستگاه را تعیین می کند. این 5 روش عملی ضروری هستند:

• ** ترکیب خازن ها: خازن های سرامیکی با القایی پایین، نویز فرکانس بالا را فیلتر می کنند، خازن های الکترولیتی به عنوان "مخزن شارژ" برای فیلتر کردن نویز فرکانس پایین عمل می کنند، و دانه های فریت را می توان برای افزایش انزوا انتخاب کرد.
• **خازن‌های جداکننده را نزدیک پایه‌های منبع تغذیه دستگاه قرار دهید و آنها را با استفاده از ردیابی‌های کوتاه یا دریچه‌ها به یک صفحه زمین با امپدانس پایین وصل کنید تا اندوکتانس سری را کاهش دهید.
• **خازن های کوچک (0.01μF-0.1μF) را در کنار پایه های منبع تغذیه قرار دهید تا از ناپایداری دستگاه در هنگام تعویض همزمان چند خروجی جلوگیری شود.
• **خازن های الکترولیتی (10μF-100μF) را بیش از 1 اینچ از پایه های منبع تغذیه دور نگه دارید. فاصله بیش از حد بر عملکرد فیلتر تأثیر می گذارد.
• **خازن‌های جداکننده را می‌توان از طریق پین GND دستگاه به شکل T به سطح زمین متصل کرد و بدون سیم‌کشی اضافی، فرآیند را ساده‌تر کرد.

VI. لایه بندی PCB: لایه ها را از قبل برنامه ریزی کنید و مسیرهای بازگشت را بهینه کنید

طرح لایه بندی را قبل از مسیریابی تعیین کنید، در غیر این صورت بر مسیر بازگشت سیگنال تأثیر می گذارد. شماره لایه های مختلف به ملاحظات طراحی متفاوت نیاز دارند:

• سیستم های جمع آوری داده با کارایی بالا باید PCB های 4 لایه یا بالاتر را در اولویت قرار دهند. بردهای دو لایه برای مدارهای ساده مناسب هستند.
• چیدمان تخته 4 لایه معمولی: لایه بالایی (سیگنال های دیجیتال/آنالوگ)، لایه دوم (لایه زمین، کاهش افت ولتاژ IR و سیگنال های حفاظتی)، لایه سوم (لایه برق)، لایه پایین (سیگنال های کمکی).
• لایه های برق و زمین باید نزدیک به هم باشند و از ظرفیت بین لایه ای برای دستیابی به جداسازی فرکانس بالا استفاده کنند.
• تخته‌های چندلایه می‌توانند از گذرگاه‌های کور و ویزهای مدفون برای اتصال لایه‌ها استفاده کنند و فضای ردیابی سطح را کاهش دهند و چیدمان را تمیزتر کنند.

VII. مقاومت های مسی PCB: انتخاب ضخامت مس مناسب برای کاهش خطا
آثار مسی هسته اتصالات مدار و سطوح زمین هستند. مقاومت بیش از حد می تواند منجر به خطاهای سیگنال شود. این نکات را به خاطر بسپارید:

• PCBهای استاندارد از 1 اونس مس استفاده می کنند. مقاطع پرقدرت از مس 2 oz یا 3 اونس استفاده می کنند (مقاومت مس 1.724 × 10-6 Ω/cm در دمای 25 درجه سانتیگراد است).
• فویل مس 1 اونس تقریباً 0.036 میلی متر ضخامت دارد و مقاومت آن 0.48mΩ/مربع است. به عنوان مثال، یک ردیابی عرض 0.25 میلی متر دارای مقاومت تقریباً 19mΩ/cm است.
• برای مدارهای دقیق با امپدانس کم (مانند ADC های 16 بیتی)، به مقاومت ردیابی مس توجه کنید تا از ایجاد خطاهای اضافی جلوگیری کنید. در صورت لزوم آثار را پهن کنید یا ضخامت مس را افزایش دهید.

هشتم. طراحی زمین: دو گزینه، با توجه به نیازها انتخاب کنید

زمین برای سرکوب تداخل بسیار مهم است. انتخاب گزینه مناسب برای سیستم های مختلف مهم است. دو روش اصلی به تفصیل توضیح داده شده است:

1. تک لایه زمین (توصیه شده برای سیستم های ADC/DAC جریان دیجیتال کم)

• استفاده از یک لایه زمین جامد به جریان برگشتی اجازه می دهد تا مسیر کمترین مقاومت را دنبال کند و از تداخل سیگنال مختلط جلوگیری کند.
• جریان برگشتی فرکانس پایین در امتداد خط مرجع زمین دستگاه جریان دارد، در حالی که جریان برگشتی با فرکانس بالا در طول مسیر سیگنال به عقب برمی‌گردد و تداخل حلقه را کاهش می‌دهد.

2. زمین آنالوگ مستقل + زمین دیجیتال (توصیه شده برای سیستم های پیچیده جریان بالا)

• تقسیم لایه زمین به زمین آنالوگ و زمین دیجیتال، که از طریق یک "زمین ستاره ای" متصل شده اند (نقطه تقاطع یک زمین ستاره ای است)، تضمین سطوح مرجع ثابت برای هر دو.
• پایه AGND دستگاه های سیگنال مختلط به زمین آنالوگ و پایه DGND به زمین دیجیتال متصل می شود و جریان دیجیتال پر نویز را جدا می کند.
• PCB های چند لایه باید از جداسازی کامل بین صفحات AGND و DGND اطمینان حاصل کنند و همپوشانی مجاز نیست.

Ⅸ. محافظت از تداخل الکترومغناطیسی: ایجاد یک قفس فارادی برای از بین بردن تداخل خارجی

پس از پرداختن به تداخل داخلی، محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی خارجی (EMI) بسیار مهم است. در غیر این صورت، وقفه های ارتباطی، خرابی داده های حسگر و خرابی قطعات ممکن است رخ دهد. در اینجا چند تکنیک محافظ وجود دارد:

• از محافظ فلزی کافی برای ایجاد یک قفس فارادی استفاده کنید، که مدار را از هر شش طرف کاملاً می پوشاند، و برای محافظت بهینه، آن را به صفحه زمین متصل کنید.
• طراحی محافظ باید الزامات اتلاف گرما و کانال های ورودی/خروجی سیگنال ذخیره را در نظر بگیرد. محافظ نباید در عملکرد عادی مدار اختلال ایجاد کند.
• برای محیط‌های با فرکانس بالا و تداخل بالا، لایه محافظ باید اتصال بدون درز را تضمین کند تا از «شکاف‌های محافظ» جلوگیری شود.

بر این 9 تکنیک چیدمان PCB هیبریدی مسلط شوید. چه یک مبتدی یا یک بهینه ساز باتجربه PCB باشید، می توانید به راحتی با چالش های مختلف چیدمان کنار بیایید و به طور مستقیم پایداری و عملکرد مدار را دو برابر کنید!