Thông tin PCB - Thiết kế chống nhiễu Bảng mạch PCB tốc độ cao DSP

Với việc sử dụng rộng rãi các bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP), thiết kế bảng mạch PCB xử lý tín hiệu tốc độ cao dựa trên DSP đặc biệt quan trọng. Trong các hệ thống DSP, bộ vi xử lý DSP có thể hoạt động ở tần số lên đến hàng trăm MHz và có thể dễ dàng bị nhiễu bởi các đường đặt lại, đường ngắt giữa và đường điều khiển, công tắc mạch tích hợp, mạch chuyển đổi A/D có độ chính xác cao và các mạch chứa tín hiệu tương tự yếu; Do đó, để thiết kế và phát triển một hệ thống DSP ổn định và đáng tin cậy, thiết kế chống nhiễu là rất quan trọng. Năng lượng gây nhiễu hoặc gây nhiễu khiến người nhận ở trạng thái không mong muốn. Có hai loại nhiễu: trực tiếp (bằng cách ghép nối dây dẫn, trở kháng chung, v.v.) và gián tiếp (bằng cách ghép nối xuyên âm hoặc bức xạ). Nhiều nguồn phát điện, chẳng hạn như ánh sáng, động cơ và đèn huỳnh quang, có thể gây nhiễu và có ba cách cần thiết để nhiễu điện từ (EMI) tạo ra tác động, đó là nguồn gây nhiễu, đường truyền và thụ thể gây nhiễu. Nó chỉ cần cắt một trong số chúng. Vấn đề nhiễu điện từ.

1. Phân tích tạo nhiễu trong hệ thống DSP

Để hệ thống DSP ổn định và đáng tin cậy, nhiễu phải được loại bỏ từ tất cả các khía cạnh, và ngay cả khi nó không thể được loại bỏ hoàn toàn, nhiễu phải được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Đối với các hệ thống DSP, nhiễu chính đến từ các khía cạnh sau:

1) nhiễu kênh đầu vào và đầu ra. Có nghĩa là nhiễu đi vào hệ thống thông qua các kênh phía trước và phía sau, chẳng hạn như liên kết thu thập dữ liệu của hệ thống DSP, và nhiễu được chồng lên tín hiệu thông qua cảm biến, làm tăng lỗi thu thập dữ liệu. Trong liên kết đầu ra, nhiễu làm tăng lỗi hoặc thậm chí hoàn toàn sai trong dữ liệu đầu ra, dẫn đến sự cố hệ thống. Các thiết bị quang ghép có thể được sử dụng hợp lý để giảm nhiễu từ các kênh đầu vào và đầu ra. Đối với nhiễu từ cảm biến và hệ thống chính DSP, cách ly điện có thể được sử dụng để giới thiệu nhiễu tích cực.

2) Gây nhiễu hệ thống điện. Nguồn gây nhiễu chính cho toàn bộ hệ thống DSP. Khi nguồn điện cung cấp năng lượng cho hệ thống, nó cũng làm tăng tiếng ồn cho nguồn điện, vì vậy khi thiết kế mạch chip nguồn, dây nguồn phải được tách ra.

3) nhiễu ghép bức xạ không gian. Khớp nối qua bức xạ thường được gọi là nhiễu xuyên âm. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, nhiễu xuyên âm được tạo ra, khiến trường điện từ cảm nhận dòng điện thoáng qua trong dây dẫn liền kề, gây biến dạng hoặc thậm chí sai tín hiệu liền kề. Cường độ của Crosstalk phụ thuộc vào thiết bị, hình học của dây và khoảng cách tách. Trong hệ thống dây DSP, khoảng cách giữa các đường tín hiệu càng lớn và gần với đường đất, nhiễu xuyên âm có thể được giảm hiệu quả hơn.

2. Thiết kế bảng mạch PCB cho nguyên nhân gây nhiễu

Dưới đây là các cách để giảm các nhiễu khác nhau trong quá trình sản xuất bảng mạch PCB của hệ thống DSP.

2.1 Thiết kế nhiều lớp cho tấm nhiều lớp

Trong mạch kỹ thuật số tốc độ cao DSP, để cải thiện chất lượng tín hiệu, giảm độ khó của hệ thống dây và tăng EMC của hệ thống, thường sử dụng thiết kế xếp chồng của bảng nhiều lớp. Thiết kế ngăn xếp có thể cung cấp đường dẫn trở lại ngắn, giảm diện tích khớp nối và ngăn chặn nhiễu mô hình vi sai. Trong thiết kế xếp chồng lên nhau, một mặt phẳng công suất và mặt phẳng mặt đất chuyên dụng được phân bổ và mặt phẳng mặt đất và mặt phẳng công suất được ghép nối chặt chẽ để ngăn chặn nhiễu chế độ chung (sử dụng mặt phẳng liền kề để giảm trở kháng AC của mặt phẳng công suất). Có một lớp năng lượng bên dưới tầng trên cùng, nơi các chân nguồn của thành phần có thể được kết nối trực tiếp với nguồn điện mà không cần phải đi qua mặt đất. Các tín hiệu quan trọng được chọn ở tầng dưới cùng (tầng dưới cùng) để các tín hiệu quan trọng được định tuyến với không gian lớn hơn và các thiết bị được đặt trên cùng một lớp càng nhiều càng tốt. Nếu không cần thiết, đừng làm bảng với hai lớp bộ phận, điều này sẽ làm tăng thời gian lắp ráp và độ phức tạp của lắp ráp. Ví dụ, lớp trên cùng, các thiết bị có chiều cao hạn chế và lượng nhiệt thấp, chẳng hạn như tụ điện tách rời (miếng dán), được đặt ở lớp dưới cùng chỉ khi các thành phần trên cùng quá dày đặc. Đối với các hệ thống DSP, có thể cần phải đặt một lượng lớn dây dẫn và có thể sử dụng thiết kế xếp chồng lên nhau để định tuyến trong các lớp bên trong. Nếu thông qua lỗ thông thường lãng phí rất nhiều không gian cáp có giá trị, sau đó mù chôn qua lỗ có thể được sử dụng để tăng diện tích cáp.

2.2 Thiết kế layout

Để đạt được hiệu suất của hệ thống DSP, bố cục của thiết bị là rất quan trọng. Các thiết bị DSP, Flash, SRAM và CPLD nên được đặt trước tiên để xem xét cẩn thận không gian định tuyến, sau đó đặt các IC khác theo nguyên tắc chức năng độc lập và xem xét vị trí của các cổng I/O. Kết hợp với bố cục trên để xem xét kích thước của bảng PCB: nếu kích thước quá lớn, dòng in sẽ quá dài, trở kháng sẽ tăng, khả năng chống ồn sẽ giảm, chi phí làm bảng cũng sẽ tăng; Nếu bảng PCB quá nhỏ, tản nhiệt sẽ kém, không gian hạn chế và các đường liền kề dễ bị nhiễu. Do đó, thiết bị nên được lựa chọn theo nhu cầu thực tế và kích thước của PCB được tính toán sơ bộ dựa trên không gian dây. Khi bố trí hệ thống DSP, cần đặc biệt chú ý đến vị trí của các thành phần sau.

1) Bố trí tín hiệu tốc độ cao: Trong toàn bộ hệ thống DSP, các đường tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao chính nằm giữa DSP, Flash và SRAM, vì vậy khoảng cách giữa các thiết bị phải càng gần càng tốt và kết nối phải càng ngắn và kết nối trực tiếp càng tốt. Do đó, để giảm ảnh hưởng của đường truyền đến chất lượng tín hiệu, dấu vết tín hiệu tốc độ cao phải càng ngắn càng tốt. Cũng cần lưu ý rằng nhiều chip DSP có tốc độ hàng trăm MHz yêu cầu cuộn dây rắn. Điều này sẽ được nhấn mạnh trong các đường dây bên dưới.

2) Bố trí thiết bị analog kỹ thuật số: Hầu hết các hệ thống DSP không phải là một mạch chức năng duy nhất và sử dụng một số lượng lớn các thiết bị kỹ thuật số CM0S và các bộ trộn analog kỹ thuật số, vì vậy các thiết bị kỹ thuật số/analog nên được bố trí riêng biệt. Thiết bị tín hiệu analog nên được tập trung càng nhiều càng tốt để analog có thể vẽ các khu vực độc lập thuộc về tín hiệu analog ở giữa toàn bộ vùng kỹ thuật số để tránh nhiễu tín hiệu analog. Một số thiết bị lai kỹ thuật số tương tự, chẳng hạn như bộ chuyển đổi D/A, theo truyền thống được coi là thiết bị tương tự, được đặt trên mặt đất tương tự và cung cấp cho chúng các vòng lặp kỹ thuật số để tiếng ồn kỹ thuật số được phản hồi lại nguồn tín hiệu để giảm nó. Ảnh hưởng đến mô phỏng mặt đất.

3) Bố trí của đồng hồ: Đối với đồng hồ, lựa chọn chip và tín hiệu xe buýt, nó phải được giữ càng xa cáp I/O và đầu nối càng tốt. Đầu vào đồng hồ của hệ thống DSP rất dễ bị nhiễu và việc xử lý của nó rất quan trọng. Luôn giữ máy phát đồng hồ càng gần chip DSP càng tốt và giữ cho đường đồng hồ càng ngắn càng tốt. Vỏ ngoài của bộ dao động tinh thể đồng hồ nối đất.

4) Bố trí tách rời: Để giảm điện áp vượt quá tức thời của nguồn cung cấp chip mạch tích hợp, tụ điện tách rời được thêm vào chip mạch tích hợp, có thể loại bỏ hiệu quả ảnh hưởng của burr đối với nguồn điện và giảm vòng cung cấp điện trên bảng mạch PCB. Phản xạ Việc bổ sung một tụ điện tách rời có thể bỏ qua tiếng ồn tần số cao của thiết bị IC hoặc nó có thể được sử dụng như một tụ điện lưu trữ để cung cấp và hấp thụ năng lượng sạc và xả ngay lập tức khi chuyển đổi cổng IC. Trong hệ thống DSP, các tụ điện tách rời được đặt trên mỗi mạch tích hợp như DSP, SRAM, Flash, v.v. và được thêm vào giữa mỗi nguồn điện và chip nối đất, và cần đặc biệt chú ý đến các tụ điện tách rời càng gần đầu nguồn và IC càng tốt. Phần chân. Đảm bảo độ tinh khiết của dòng điện từ đầu nguồn (đầu nguồn) đến IC và giảm đường dẫn tiếng ồn càng nhiều càng tốt. Khi xử lý tụ điện, sử dụng các lỗ lớn hoặc nhiều lỗ, kết nối giữa các lỗ và tụ điện phải ngắn và dày nhất có thể. Khi hai lỗ quá xa nhau, đường đi quá lớn, điều này không tốt; Hai lỗ qua của tụ điện tách rời càng chặt chẽ càng tốt, vì vậy tiếng ồn có thể tiếp cận mặt đất trong một con đường ngắn. Ngoài ra, có thể rất có lợi khi thêm tụ điện tần số cao vào đầu vào nguồn hoặc nơi pin được cung cấp. Trong điều kiện bình thường, giá trị của tụ điện tách rời không nghiêm ngặt lắm. Thông thường, nó được tính toán dựa trên C=l/có nghĩa là, khi tần số là 10 MHz, lấy một tụ 0,1 ° F.

5) Bố trí nguồn điện: Khi phát triển hệ thống DSP, cần xem xét cẩn thận nguồn điện. Vì một số chip nguồn tạo ra rất nhiều nhiệt, chúng nên được ưu tiên đặt ở vị trí thuận lợi cho việc tản nhiệt và cách xa các thành phần khác. Tản nhiệt có thể được thực hiện bằng cách thêm bộ tản nhiệt hoặc bằng cách đặt đồng bên dưới thiết bị. Hãy cẩn thận không đặt các thành phần sưởi ấm ở tầng dưới cùng của bảng phát triển.

6) Các cân nhắc khác: Đối với bố trí của các thành phần khác của hệ thống DSP, các yêu cầu về hàn dễ dàng, gỡ lỗi dễ dàng và thẩm mỹ nên được xem xét càng nhiều càng tốt. Ví dụ, các thiết bị có thể điều chỉnh như chiết áp, cuộn cảm có thể điều chỉnh, tụ điện biến và công tắc DIP nên được kết hợp với cấu trúc tổng thể. Đối với các thiết bị vượt quá 15 g, một khung cố định nên được thêm vào, sau đó hàn, với sự chú ý đặc biệt đến vị trí mà lỗ định vị và khung cố định của bảng PCB chiếm. Khoảng cách giữa các thành phần của cạnh của bảng PCB và cạnh của bảng PCB nói chung không nhỏ hơn 2mm, bảng PCB là hình chữ nhật, tỷ lệ khung hình là 3: 2 hoặc 4; 3.

2.3 Thiết kế cáp

Sau khi xem xét toàn diện việc cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống DSP và nâng cao khả năng EMC của bố cục, một số biện pháp và thủ thuật phải được sử dụng trong hệ thống dây điện.

1) Định tuyến DSP: Định tuyến thường bắt đầu từ thiết bị và mở rộng xung quanh thiết bị. Đối với các thiết bị được đóng gói trong PQFP (Plastic Quad FIat Pack) hoặc BGA (BaIl Grid Array), hướng định tuyến nên được xác định gần đúng dựa trên vị trí bố trí của SRAM, Flash và CPLD và quạt pin ra. Quạt ra đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị loại QFP và BGA. Khi bắt đầu định tuyến, quạt các chân của thiết bị loại BGA ra có thể tiết kiệm thời gian cho việc định tuyến tiếp theo và cải thiện chất lượng và hiệu quả của việc định tuyến. Khi đi dây, sử dụng hợp lý các tính năng của công cụ EDA, chẳng hạn như dây năng động của bảng mạch PCB cung cấp điện, quy hoạch không gian. Khi sử dụng Dynamic, tính năng này sẽ tự động giữ không gian giữa các đường thẳng và đường thẳng trong một phạm vi thường xuyên mà không lãng phí không gian, giảm các sửa đổi tiếp theo và cải thiện chất lượng và hiệu quả của hệ thống dây điện. Đối với DSP tốc độ cao, hãy chú ý đến xử lý định tuyến cho nhiễu xuyên âm và điều chỉnh độ trễ. Xử lý Serpentine có thể đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và tính liên tục của mặt phẳng tham chiếu tín hiệu tốc độ cao. Khi cần phân chia mặt phẳng, hãy cẩn thận không để đường cao tốc đi qua mặt phẳng không liên tục; Nếu bạn phải vượt qua, hãy thêm tụ điện vào mặt phẳng. Khi khoảng cách giữa các đường tín hiệu (dấu vết) gấp ba lần chiều rộng của đường tín hiệu, xác suất giao thoa chéo (khớp nối) giữa các tín hiệu chỉ khoảng 25%, do đó các yêu cầu chống nhiễu điện từ (EMI) có thể được đáp ứng. Vì vậy, đối với các đường tín hiệu tốc độ cao như CLK và SRAM, hãy nhớ giữ khoảng cách hơn 3 lần so với đường tín hiệu bên cạnh. Khi điều chỉnh chiều dài, tức là theo dõi rắn, chiều rộng của đường và đường nên lớn hơn 3 lần chiều rộng của đường tín hiệu, bao gồm cả đối với đường tín hiệu riêng của nó, chiều rộng của nó cũng gấp 3 lần đường tín hiệu. Chiều rộng của đường là 5 mils và khoảng cách bên trong cuộn dây là 15 mils, lớn hơn hoặc bằng 3 lần chiều rộng của đường.

2) Đồng hồ cáp: Đối với tín hiệu đồng hồ, làm cho khoảng cách cáp của các tín hiệu khác càng lớn càng tốt, đảm bảo khoảng cách vượt quá 4 lần chiều rộng đường và không được cáp dưới đồng hồ (một phần); Đối với đường đầu vào điện áp tương tự, thiết bị đầu cuối điện áp tham chiếu và đường tín hiệu I/O càng xa đồng hồ càng tốt.

3) Xử lý nguồn điện hệ thống: Nguồn điện là một phần quan trọng của hệ thống. Một lớp năng lượng riêng biệt được phân bổ trong thiết kế xếp chồng của bảng mạch PCB, nhưng vì hệ thống DSP có nhiều thiết bị kỹ thuật số và tương tự khác nhau và do đó các nguồn cung cấp khác nhau cũng được sử dụng, lớp năng lượng được chia thành các thiết bị có cùng đặc tính nguồn điện. Được chia thành cùng một khu vực, nó có thể được kết nối với mặt phẳng nguồn điện gần đó. Tuy nhiên, cần đặc biệt chú ý khi phân chia để giữ cho tín hiệu của mặt phẳng công suất tham chiếu liên tục. Nó đã được chứng minh bằng thực nghiệm rằng có thể đảm bảo dòng điện 1A thông qua chiều rộng đường dây 40 mils; Đối với L qua lỗ, dòng điện 1A có thể đi qua đường kính bit 16 mils, vì vậy đối với hệ thống DSP, dây nguồn có thể lớn hơn 20 mils. Để bảo vệ bức xạ điện từ trên đường dây điện, cần lưu ý những điều sau: sử dụng tụ điện bỏ qua để hạn chế rò rỉ dòng điện xoay chiều trên bảng; Các cuộn dây choke chế độ chung được kết nối song song trên đường dây điện được mô tả để ngăn chặn dòng điện chế độ chung chảy qua đường dây được mô tả; Hệ thống dây điện gần nhau để giảm diện tích bức xạ từ.

4) Xử lý mặt đất: Trong tất cả các vấn đề EMC, vấn đề chính là do tiếp đất không đúng cách. Chất lượng xử lý dây đất ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Nối đất có các chức năng sau: giảm điện áp chế độ chung VCM trên đường đầu ra; Giảm tính nhạy cảm với tĩnh điện (ESD); Giảm bức xạ điện từ. Mạch nối đất của mạch kỹ thuật số tần số cao và mạch analog tần số thấp không thể trộn lẫn và nối đất kỹ thuật số/analog phải được tách ra, vì khi mạch kỹ thuật số chuyển đổi giữa tiềm năng cao và thấp, nguồn điện và mặt đất tạo ra tiếng ồn; Nếu mặt phẳng mặt đất không tách rời, tín hiệu tương tự vẫn là tiếng ồn mặt đất. nhiễu Do đó, tín hiệu tần số cao nên được nối đất trong loạt đa điểm, và dây mặt đất nên được làm dày và rút ngắn càng tốt, do đó, ngoài việc giảm điện áp, điều quan trọng hơn là giảm tiếng ồn khớp nối. Nhưng đối với một hệ thống, bất kể sự phân chia nào, mặt đất cuối cùng chỉ có một, nhưng đường dẫn xả khác nhau. Do đó, kết nối kỹ thuật số và tương tự với nhau bằng hạt từ hoặc điện trở 0n để loại bỏ nhiễu từ các tín hiệu hỗn hợp. Khi phân chia mặt phẳng mặt đất, phải đảm bảo tính liên tục của mặt phẳng tham chiếu. Đối với bảng mạch PCB cùng tồn tại kỹ thuật số/analog, nếu đường tín hiệu analog ở xa, hãy thử làm cho đường dẫn trở lại tham chiếu cũng tương tự. Điều này có nghĩa là mặt đất tương tự nên được cắt dọc theo đường đi của tín hiệu tương tự trong hệ tầng, để nó tham chiếu đến mặt đất tương tự để đảm bảo tính liên tục của mặt phẳng tham chiếu của nó.

5) Các biện pháp phòng ngừa khác: Trong quá trình định tuyến, các góc của dây thường không nên tạo thành một đường gấp 90 °, để giảm khớp nối phát xạ bên ngoài của tín hiệu tần số cao. Khi đặt đồng trên PCB, cố gắng tránh sử dụng một diện tích lớn của lá đồng, nếu không lá đồng có thể dễ dàng rơi ra sau một thời gian dài làm nóng; Khi phải sử dụng một khu vực rộng lớn của lá đồng, nó có thể được thay thế bằng lưới, điều này có lợi cho việc loại bỏ lá đồng và chất nền. Chất kết dính được làm nóng để tạo ra khí dễ bay hơi. Lá đồng được đặt trên bàn chân của một phần xuyên thấu (DIPPIN) cũng được xử lý bằng miếng đệm nhiệt; Hàn giả nên tránh để tăng sản lượng. Các cạnh đầu vào và đầu ra nên tránh tiếp giáp với nhau để tránh nhiễu phản xạ; Nếu cần thiết, tăng dây nối đất để cách ly. Hệ thống dây của hai lớp liền kề phải vuông góc với nhau và dễ dàng tạo ra khớp nối song song. Đối với I/O, các khu vực khác nhau của từng mặt phẳng tham chiếu có thể được chia để các tín hiệu I/O khác nhau không can thiệp vào nhau trên bảng PCB.