Thông tin PCB - Thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao dựa trên Protel

Trong quá trình thiết kế bảng mạch in tốc độ cao, một số nguyên tắc liên quan đến bố cục và hệ thống dây điện cần lưu ý khi sử dụng phần mềm thiết kế PROTEL, cung cấp một số bố cục và công nghệ định tuyến mạch tốc độ cao thực tế và đã được chứng minh, cải thiện thiết kế bảng mạch tốc độ cao. Độ tin cậy và hiệu quả. Kết quả cho thấy thiết kế rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường. Với sự gia tăng đáng kể về độ phức tạp và tích hợp của thiết kế hệ thống điện tử, tốc độ đồng hồ và thời gian tăng thiết bị ngày càng nhanh hơn, thiết kế mạch tốc độ cao đã trở thành một phần quan trọng của quá trình thiết kế. Trong thiết kế mạch tốc độ cao, điện cảm và điện dung trên bảng mạch có thể làm cho dây dẫn tương đương với dây truyền. Vị trí không đúng của các thành phần đầu cuối hoặc hệ thống cáp không đúng của tín hiệu tốc độ cao có thể dẫn đến các vấn đề về hiệu ứng đường truyền dẫn, dẫn đến việc hệ thống xuất dữ liệu không chính xác, hoạt động mạch không đúng hoặc thậm chí không hoạt động ở tất cả. Dựa trên mô hình đường truyền, người ta có thể kết luận rằng đường truyền có thể gây ra các tác động bất lợi như phản xạ tín hiệu, nhiễu xuyên âm, nhiễu điện từ, nguồn điện và tiếng ồn nối đất cho thiết kế mạch. Để thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao có thể hoạt động đáng tin cậy, thiết kế phải được xem xét cẩn thận đầy đủ, giải quyết một số vấn đề không đáng tin cậy có thể xảy ra trong bố cục và quá trình dây, rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và cải thiện khả năng cạnh tranh trên thị trường.

2. Thiết kế bố trí của hệ thống tần số cao trong thiết kế bảng mạch PCB, bố trí là một liên kết quan trọng, chất lượng của kết quả bố trí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng dây và độ tin cậy của hệ thống, điều này tốn thời gian và khó khăn trong toàn bộ thiết kế bảng mạch in. Môi trường phức tạp của bảng mạch PCB tần số cao làm cho nó khó khăn để áp dụng kiến thức lý thuyết đã học cho thiết kế bố cục của các hệ thống tần số cao. Nó đòi hỏi nhân viên bố trí phải có nhiều kinh nghiệm làm bảng PCB tốc độ cao để tránh quá trình thiết kế. Bỏ qua, cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của công việc mạch. Trong quá trình bố trí, nên xem xét toàn diện cấu trúc cơ học, tản nhiệt, nhiễu điện từ, sự tiện lợi và thẩm mỹ của hệ thống dây điện trong tương lai. Đầu tiên, phân chia chức năng của toàn bộ mạch trước khi bố trí, tách mạch tần số cao khỏi mạch tần số thấp và mạch analog khỏi mạch kỹ thuật số. Tránh sự chậm trễ truyền dẫn do dây dài và cải thiện hiệu ứng tách rời của tụ điện. Ngoài ra, chú ý đến vị trí và hướng tương đối của chân và các thành phần mạch với các ống khác để giảm ảnh hưởng lẫn nhau. Tất cả các cụm tần số cao nên được đặt cách xa khung máy và các tấm kim loại khác để giảm khớp nối ký sinh. Thứ hai, cần chú ý đến hiệu ứng nhiệt và điện từ giữa các thành phần trong quá trình bố trí. Những tác động này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống tần số cao và cần thực hiện các bước để tránh xa hoặc cách ly chúng, tản nhiệt và che chắn. Ống chỉnh lưu công suất cao và ống điều chỉnh nên được trang bị tản nhiệt và nên tránh xa máy biến áp. Các yếu tố chịu nhiệt như tụ điện điện phân nên tránh xa các yếu tố làm nóng, nếu không chất điện phân sẽ khô, dẫn đến tăng điện trở và giảm hiệu suất, do đó ảnh hưởng đến sự ổn định của mạch. Cần có đủ không gian trong bố trí để bố trí các cấu trúc bảo vệ, ngăn chặn sự ra đời của các khớp nối ký sinh khác nhau. Để ngăn chặn khớp nối điện từ giữa các cuộn dây trên bảng mạch in, cả hai cuộn dây nên được đặt ở góc phải để giảm hệ số khớp nối. Bạn cũng có thể sử dụng phương pháp cô lập bảng đứng. Hàn trực tiếp trên mạch bằng cách sử dụng dây dẫn từ các thành phần của nó. Lợi thế dẫn đầu càng ngắn càng tốt. Không sử dụng đầu nối và pad vì có điện dung phân phối và cảm ứng phân phối giữa các pad liền kề. Tránh đặt các thành phần tiếng ồn cao xung quanh dấu vết tín hiệu dao động tinh thể, RIN, điện áp tương tự và điện áp tham chiếu. Trong khi đảm bảo chất lượng và độ tin cậy vốn có, xem xét vẻ đẹp tổng thể, lập kế hoạch bảng mạch hợp lý, các yếu tố nên song song hoặc vuông góc với bề mặt bảng, song song hoặc vuông góc với cạnh bo mạch chủ. Các thành phần nên được phân phối càng đồng đều càng tốt trên bề mặt tấm và mật độ phải giống nhau. Bằng cách này, nó không chỉ đẹp mà còn dễ lắp đặt và hàn, dễ sản xuất hàng loạt. Hệ thống dây điện của hệ thống tần số cao Trong mạch tần số cao, các thông số phân phối của điện trở, điện dung, cảm ứng và tương tác của dây kết nối không thể bỏ qua. Từ quan điểm chống nhiễu, hệ thống dây điện hợp lý là giảm thiểu điện trở đường dây, điện dung phân phối và cảm biến đi lạc trong mạch điện. Từ trường đi lạc kết quả được giảm ở một mức độ nào đó, do đó ức chế các nhiễu như điện dung phân phối, thông lượng rò rỉ, tương tác điện từ do nhiễu mạch gây ra. Các công cụ thiết kế Protel rất phổ biến ở Trung Quốc. Tuy nhiên, nhiều nhà thiết kế chỉ tập trung vào "tỷ lệ bố trí" và những cải tiến được thực hiện cho các công cụ thiết kế PROTEL để phù hợp với những thay đổi trong đặc tính của thiết bị không được sử dụng trong thiết kế, điều này không chỉ làm lãng phí tài nguyên công cụ thiết kế nghiêm trọng, khiến hiệu suất vượt trội của nhiều thiết bị mới trở nên khó khăn. Dưới đây là một số tính năng đặc biệt mà công cụ Protel99 SE có thể cung cấp. (1) Ít dây dẫn uốn giữa các chân của thiết bị mạch tần số cao càng tốt. Sử dụng một đường thẳng hoàn chỉnh. Khi cần uốn cong, nó có thể được uốn cong với đường cong 45 ° hoặc vòng cung tròn, điều này có thể làm giảm phát xạ bên ngoài và nhiễu lẫn nhau của tín hiệu tần số cao. Cặp đôi. Khi sử dụng cáp PROTEL, chọn một góc 45 độ hoặc tròn trong Wire Corner trong menu Design Rules. Bạn cũng có thể sử dụng Shift+Space Bar để nhanh chóng chuyển đổi giữa các dòng. (2) Dây dẫn ngắn hơn giữa các chân của thiết bị mạch tần số cao càng tốt. Một cách hiệu quả để Protel 99 đáp ứng việc rút ngắn hệ thống cáp là dành riêng hệ thống cáp cho các mạng tốc độ cao quan trọng riêng lẻ trước khi hệ thống cáp tự động được thực hiện. Chọn hệ thống ngắn nhất trong phần Rules của menu Design. (3) Ít luân phiên giữa các lớp chì giữa các chân của thiết bị mạch tần số cao hơn là tốt hơn. Điều đó nói rằng, càng ít lỗ thông qua được sử dụng trong quá trình kết nối các phần tử thì càng tốt. Thông qua lỗ có thể mang lại điện dung phân phối 0,5pF và giảm số lượng lỗ thông qua có thể cải thiện đáng kể tốc độ. (4) Đối với hệ thống dây mạch tần số cao, hãy chú ý đến "nhiễu chéo" được giới thiệu bởi hệ thống dây song song của đường tín hiệu. Nếu không thể tránh được sự phân bố song song, một khu vực rộng lớn của "đường mặt đất" có thể được bố trí ở phía đối diện của đường tín hiệu song song để giảm đáng kể nhiễu. Các đường song song trong cùng một lớp là gần như không thể tránh khỏi, nhưng trong hai lớp liền kề, hướng của các đường phải vuông góc với nhau, điều này không khó để đạt được trong PROTEL nhưng dễ bị bỏ qua. Trong Wire Layer, trong menu Design Rules, chọn Horizontal cho top level và Vertical cho top level. Ngoài ra, chức năng "Polygonplane", bề mặt lá đồng lưới đa giác, được cung cấp trong "nơi". Nếu được đặt, đa giác sẽ được coi là một bề mặt của toàn bộ bảng mạch in và đồng này sẽ được áp dụng. Nó được kết nối với GND của mạch, có thể cải thiện khả năng chống nhiễu tần số cao và cũng có lợi ích lớn cho tản nhiệt và cường độ bảng in. (5) Đối với các đường tín hiệu đặc biệt quan trọng hoặc các đơn vị cục bộ, các biện pháp được thực hiện để bao quanh chúng bằng các đường mặt đất. Profile Selected Objects có sẵn trong Tools, có thể được sử dụng để tự động "nối đất" các đường tín hiệu quan trọng được chọn (chẳng hạn như mạch dao động LT và X1). (6) Thông thường, dây nguồn và dây mặt đất của mạch được đặt rộng hơn đường tín hiệu. Bạn có thể chia mạng thành mạng điện và mạng tín hiệu bằng cách sử dụng Lớp trong menu Thiết kế. Cài đặt của các quy tắc cáp có thể được kết hợp thuận tiện. Chuyển đổi chiều rộng đường dây của dây nguồn và dây tín hiệu. (7) Các dấu vết khác nhau không thể tạo thành vòng lặp, và các đường đất không thể tạo thành vòng lặp hiện tại. Nếu một vòng lặp được tạo ra, nó sẽ gây ra sự gián đoạn lớn cho hệ thống. Về vấn đề này, phương pháp dây xích daisy có thể được sử dụng, có thể tránh được sự hình thành của các mạch, cành cây hoặc gốc cây trong quá trình dây, nhưng cũng mang lại vấn đề không dễ dàng để dây. (8) Dựa trên dữ liệu và thiết kế của các chip khác nhau, ước tính dòng điện qua đường dây điện, xác định chiều rộng dây mong muốn. Theo công thức thực nghiệm, bạn có thể nhận được: W (chiều rộng đường) - L (mm/A) * I (A). Tùy thuộc vào kích thước hiện tại, hãy cố gắng tăng chiều rộng của dây nguồn để giảm điện trở vòng lặp. Đồng thời, hướng của dây nguồn và dây mặt đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng khả năng chống ồn. Các thiết bị chặn tần số cao được làm bằng sắt bọc dây đồng có thể được thêm vào dây nguồn và dây mặt đất khi cần thiết để ngăn chặn sự dẫn tiếng ồn tần số cao. (9) Chiều rộng dây của cùng một mạng phải được giữ nguyên. Sự thay đổi về chiều rộng của đường có thể dẫn đến trở kháng đặc trưng của đường không đồng đều. Khi tốc độ truyền tải cao, phản xạ xảy ra và nên tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. Trong khi đó, tăng chiều rộng đường của các đường song song. Khi khoảng cách trung tâm của các đường không vượt quá 3 lần chiều rộng của đường, 70% điện trường có thể được duy trì mà không can thiệp lẫn nhau, được gọi là nguyên tắc 3W. Bằng cách này, ảnh hưởng của điện dung phân phối và điện cảm phân phối gây ra bởi các đường song song có thể được khắc phục. Thiết kế dây nguồn và dây mặt đất Để giải quyết sự sụt giảm điện áp do tiếng ồn nguồn và trở kháng đường dây do mạch tần số cao giới thiệu, độ tin cậy của hệ thống nguồn trong mạch tần số cao phải được xem xét đầy đủ. Thông thường có hai giải pháp: một là sử dụng công nghệ xe buýt điện để nối dây; Một cách khác là sử dụng một lớp năng lượng riêng biệt. Ngược lại, quy trình sản xuất sau này phức tạp hơn và tốn kém hơn. Do đó, có thể sử dụng công nghệ xe buýt nguồn loại mạng để định tuyến, làm cho mỗi thành phần thuộc về một vòng lặp khác nhau, dòng điện trên mỗi xe buýt trên mạng có xu hướng cân bằng, làm giảm vấn đề giảm điện áp do trở kháng đường dây. Công suất truyền dẫn tần số cao tương đối lớn và có thể sử dụng một khu vực rộng lớn của đồng để tìm các mặt phẳng mặt đất có sức đề kháng thấp gần đó để nối đất đa điểm. Vì điện trở cảm ứng điện của dây nối đất tỷ lệ thuận với tần số và chiều dài, khi tần số hoạt động cao, trở kháng nối đất chung sẽ tăng lên, điều này sẽ làm tăng nhiễu điện từ do điện trở nối đất chung tạo ra, do đó yêu cầu chiều dài của dây nối đất càng ngắn càng tốt. Giảm thiểu chiều dài của đường tín hiệu và tăng diện tích của vòng nối đất. Thiết lập một hoặc nhiều tụ điện tách rời tần số cao tại các thiết bị đầu cuối nguồn và mặt đất của chip, cung cấp các kênh tần số cao gần đó cho dòng điện thoáng qua của chip tích hợp, để dòng điện không đi qua dây nguồn với diện tích vòng lặp lớn, do đó giảm đáng kể tiếng ồn bức xạ. Nó là cần thiết để chọn một tụ gốm tụ điện một mảnh với tín hiệu tần số cao tốt làm tụ điện tách rời. Sử dụng tụ điện tantali dung lượng lớn hoặc tụ điện polyester thay vì tụ điện điện phân làm tụ điện lưu trữ năng lượng để sạc mạch. Không hiệu quả đối với tần số cao vì tụ điện điện phân có độ phân bố lớn. Khi sử dụng tụ điện điện phân, nó nên được sử dụng theo cặp với tụ điện tách rời có đặc tính tần số cao tốt. Các kỹ thuật thiết kế mạch tốc độ cao khác phù hợp trở kháng đề cập đến tình trạng làm việc trong đó trở kháng tải và trở kháng nội bộ của các nguồn kích thích phù hợp với nhau để có được sản lượng điện. Khi định tuyến bảng mạch PCB tốc độ cao, để ngăn chặn phản xạ tín hiệu, trở kháng của đường dây được yêu cầu là 50μ. Đây là một con số gần đúng. Thông thường, cáp đồng trục có băng cơ sở 50 μ, băng tần 75 μ và dây xoắn đôi 100 μ. Để phù hợp, nó chỉ là một số nguyên. Theo phân tích mạch cụ thể, kết nối đầu cuối AC song song được sử dụng, điện trở và mạng điện dung được sử dụng làm trở kháng đầu cuối. Điện trở đầu cuối R phải nhỏ hơn hoặc bằng trở kháng đường truyền Z0 và tụ C phải lớn hơn 100pF. Nên sử dụng tụ gốm nhiều lớp 0.1UF. Tụ điện có chức năng chặn tần số thấp và đi qua tần số cao, vì vậy điện trở R không phải là tải DC của nguồn điều khiển, vì vậy phương pháp kết thúc này không có bất kỳ mức tiêu thụ điện năng DC nào. Crosstalk đề cập đến nhiễu điện áp không mong muốn trên các đường truyền liền kề do khớp nối điện từ khi tín hiệu được truyền qua đường truyền. Khớp nối được chia thành khớp nối điện dung và khớp nối tự cảm. Crosstalk quá mức có thể khiến mạch bị kích hoạt sai, khiến hệ thống không hoạt động đúng. Tùy thuộc vào một số đặc điểm của nhiễu xuyên âm, một số phương pháp chính để giảm nhiễu xuyên âm có thể được tóm tắt: (1) Tăng khoảng cách giữa các đường, giảm chiều dài song song và sử dụng hệ thống dây điện động điểm nếu cần. (2) Khi đường tín hiệu tốc độ cao đáp ứng các điều kiện, việc tăng kết nối cuối có thể làm giảm hoặc loại bỏ phản xạ, do đó giảm nhiễu xuyên âm. (3) Đối với đường truyền microband và đường truyền dải, nhiễu xuyên âm có thể được giảm đáng kể bằng cách hạn chế chiều cao của dấu vết trong phạm vi cao hơn mặt phẳng mặt đất. (4) Khi không gian dây cho phép, việc chèn dây nối đất giữa hai đường có nhiễu xuyên âm nghiêm trọng có thể đóng vai trò cách ly và giảm nhiễu xuyên âm. Do thiếu hướng dẫn phân tích và mô phỏng tốc độ cao trong thiết kế bảng mạch PCB truyền thống, chất lượng tín hiệu không được đảm bảo và hầu hết các vấn đề sẽ không được phát hiện cho đến khi thử nghiệm chế tạo tấm. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả thiết kế, tăng chi phí và rõ ràng là bất lợi trong thị trường cạnh tranh khốc liệt. Vì vậy, đối với việc thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao, một ý tưởng thiết kế mới đã được đưa ra bởi những người trong ngành, đã trở thành một phương pháp thiết kế "từ trên xuống". Sau khi phân tích và tối ưu hóa các chiến lược khác nhau, hầu hết các vấn đề có thể đã được tránh, tiết kiệm rất nhiều thời gian, đảm bảo sự hài lòng của ngân sách dự án, sản xuất bảng mạch in chất lượng cao, tránh các lỗi kiểm tra rườm rà và tốn kém, v.v. Việc sử dụng các đường khác biệt để truyền tín hiệu kỹ thuật số là một biện pháp hiệu quả để kiểm soát các yếu tố phá vỡ tính toàn vẹn của tín hiệu trong các mạch kỹ thuật số tốc độ cao. Các đường vi sai trên bảng mạch in tương đương với các cặp đường truyền tích hợp vi sóng vi sai hoạt động ở chế độ gần TEM, trong đó các đường vi sai nằm trên hoặc dưới cùng của bảng mạch PCB tương đương với các đường vi băng ghép nối nằm trên bảng mạch PCB nhiều lớp. Một đường khác biệt trên lớp bên trong, tương đương với một dải ghép cạnh rộng. Khi tín hiệu kỹ thuật số được truyền trên đường vi sai, nó là một chế độ truyền kỳ lạ, tức là sự khác biệt pha giữa tín hiệu dương và âm là 180 °, và tiếng ồn được ghép nối theo chế độ chung trên một cặp đường vi sai. Trừ điện áp hoặc dòng điện của mạch, do đó thu được tín hiệu để loại bỏ tiếng ồn chế độ chung. Biên độ điện áp thấp hoặc đầu ra ổ đĩa hiện tại của cặp chênh lệch đạt được yêu cầu tích hợp tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp. Kết luận Với sự phát triển liên tục của công nghệ điện tử, việc hiểu lý thuyết về tính toàn vẹn tín hiệu là bắt buộc để hướng dẫn và xác minh thiết kế của bảng mạch PCB tốc độ cao. Một số kinh nghiệm được tóm tắt trong bài viết này có thể giúp các nhà thiết kế bảng mạch PCB mạch tốc độ cao rút ngắn chu kỳ phát triển, tránh các đường cong không cần thiết và tiết kiệm nhân lực và vật lực. Các nhà thiết kế phải liên tục nghiên cứu và khám phá trong công việc thực tế, tích lũy kinh nghiệm, kết hợp với công nghệ mới, thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao với hiệu suất tuyệt vời.