Thông tin PCB - Nghiên cứu thiết kế bảng mạch PCB tần số cao Protel 99 SE

Với sự tiến bộ của công nghệ điện tử, sự phức tạp và phạm vi ứng dụng của bảng mạch PCB (bảng mạch in) phát triển nhanh chóng. Các nhà thiết kế tham gia vào bảng mạch PCB tần số cao phải có kiến thức lý thuyết cơ bản tương ứng, đồng thời cũng nên có kinh nghiệm sản xuất bảng mạch PCB tần số cao phong phú. Điều đó nói rằng, cho dù đó là bản vẽ sơ đồ hoặc thiết kế của bảng mạch PCB, nó nên được xem xét từ môi trường làm việc tần số cao mà nó được đặt, do đó, bảng mạch PCB lý tưởng có thể được thiết kế. Bài viết này xem xét một số vấn đề trong thiết kế PCB tần số cao dựa trên Protel 99 SE chủ yếu từ cả bố cục thủ công và định tuyến PCB tần số cao.

Thiết kế bố trí 1â Mặc dù Protel 99 SE có khả năng bố trí tự động, nó không thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu làm việc của mạch tần số cao. Thông thường cần phải dựa vào kinh nghiệm của nhà thiết kế và tùy thuộc vào từng trường hợp, trước tiên sử dụng phương pháp bố trí thủ công để tối ưu hóa và điều chỉnh vị trí của một số thành phần, sau đó kết hợp với bố trí tự động để hoàn thành thiết kế tổng thể của bảng mạch PCB. Cho dù bố trí có ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của sản phẩm một cách hợp lý, ổn định, EMC (tương thích điện từ), vv, phải từ bố cục tổng thể của bảng mạch, khả năng tiếp cận dây và khả năng sản xuất của bảng mạch PCB, cấu trúc cơ học, tản nhiệt, EMI (nhiễu điện từ), độ tin cậy, Tổng hợp tính hoàn chỉnh tín hiệu. Thông thường, các bộ phận ở vị trí cố định liên quan đến kích thước cơ học được đặt trước, sau đó các bộ phận đặc biệt và lớn hơn được đặt trước khi các bộ phận nhỏ hơn được đặt. Đồng thời, xem xét các yêu cầu của hệ thống dây điện, vị trí của các yếu tố tần số cao phải càng nhỏ gọn càng tốt và hệ thống dây của đường tín hiệu phải càng ngắn càng tốt, do đó giảm nhiễu chéo của đường tín hiệu.

1.1 Vị trí của ổ cắm điện, công tắc, giao diện giữa bảng PCB, đèn chỉ báo, vv liên quan đến kích thước cơ học liên quan đến vị trí cắm. Thông thường, giao diện của nguồn điện và bảng mạch PCB được đặt ở cạnh của bảng mạch PCB, và cạnh của bảng mạch PCB nên được đặt cách nhau từ 3 mm đến 5 mm; Diode phát sáng chỉ báo nên được đặt chính xác theo yêu cầu; Công tắc và một số yếu tố tinh chỉnh, chẳng hạn như cảm ứng có thể điều chỉnh, điện trở có thể điều chỉnh, v.v., nên được đặt gần cạnh của bảng PCB để dễ dàng điều chỉnh và kết nối; Các bộ phận cần thay thế thường xuyên phải được đặt ở vị trí có ít bộ phận hơn để dễ dàng thay thế.

1.2 Vị trí của các bộ phận đặc biệt của ống công suất cao, máy biến áp, ống chỉnh lưu và các thiết bị sưởi ấm khác sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt khi làm việc ở tần số cao, do đó, thông gió và tản nhiệt nên được xem xét đầy đủ khi bố trí, các bộ phận này nên được đặt trên bảng mạch PCB nơi không khí dễ dàng lưu thông. Địa điểm Ống chỉnh lưu công suất cao và ống điều chỉnh nên được trang bị tản nhiệt và nên tránh xa máy biến áp. Các bộ phận sợ nhiệt, chẳng hạn như tụ điện điện phân, cũng nên tránh xa thiết bị sưởi ấm, nếu không chất điện phân sẽ khô, dẫn đến tăng điện trở, hiệu suất kém, ảnh hưởng đến sự ổn định của mạch. Các bộ phận dễ bị hỏng, chẳng hạn như ống điều chỉnh, tụ điện điện phân, rơle, v.v., nên xem xét bảo trì dễ dàng. Đối với các điểm kiểm tra thường yêu cầu đo lường, cần cẩn thận khi sắp xếp các bộ phận để đảm bảo các thanh có thể dễ dàng tiếp cận. Do từ trường rò rỉ 50 Hz được tạo ra bên trong thiết bị cung cấp điện, nó can thiệp vào bộ khuếch đại tần số thấp khi nó được kết nối với một số bộ phận của bộ khuếch đại tần số thấp. Do đó, chúng phải được cách ly hoặc che chắn. Theo sơ đồ, tất cả các mức của bộ khuếch đại có thể được sắp xếp theo một đường thẳng. Ưu điểm của sự sắp xếp này là dòng điện nối đất của mỗi cấp độ được đóng và hợp nhất ở mức đó, điều này không ảnh hưởng đến công việc của các mạch khác. Các giai đoạn đầu vào và đầu ra nên được di chuyển càng xa càng tốt để giảm nhiễu ghép ký sinh giữa chúng. Có tính đến mối quan hệ truyền tín hiệu giữa các mạch chức năng của từng đơn vị, các mạch tần số thấp và tần số cao cũng nên được tách biệt và các mạch analog và kỹ thuật số. Các mạch tích hợp nên được đặt ở trung tâm của bảng mạch PCB để tạo điều kiện kết nối cáp giữa mỗi chân và các thiết bị khác. Các thiết bị như cuộn cảm và máy biến áp có khớp nối từ và nên được đặt thẳng đứng với nhau để giảm khớp nối từ. Ngoài ra, tất cả chúng đều có từ trường mạnh và nên được bao quanh bởi không gian thích hợp hoặc lá chắn từ tính để giảm tác động lên các mạch khác.

Các bộ phận chính của PCB nên được cấu hình với tụ tách tần số cao thích hợp. Ví dụ, một tụ điện điện phân từ 10 ° F đến 100 ° F nên được kết nối với đầu vào của nguồn cung cấp PCB và 0,01 pF nên được kết nối gần chân nguồn của mạch tích hợp. Tụ gốm. Một số mạch cũng được trang bị các cuộn dây choke tần số cao hoặc thấp thích hợp để giảm tác động giữa các mạch tần số cao và thấp. Điều này nên được xem xét khi thiết kế và vẽ sơ đồ, nếu không nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch. Khoảng cách giữa các thành phần phải phù hợp và khoảng cách phải xem xét khả năng xảy ra sự cố hoặc bắn giữa các thành phần. Đối với các bộ khuếch đại với các mạch đẩy và kéo và cầu nối, cần chú ý đến tính đối xứng của các thông số điện tử và tính đối xứng của cấu trúc để làm cho các thông số phân phối của các thành phần đối xứng nhất quán nhất có thể. Sau khi hoàn thành bố trí thủ công của các thành phần chính, phương pháp khóa thành phần nên được thực hiện để các thành phần này không di chuyển trong quá trình bố trí tự động. Đó là, thực hiện lệnh "Chỉnh sửa thay đổi" hoặc chọn "Lock" trong "Properties" của một phần để khóa một phần và không di chuyển nữa.

1.3 Vị trí của các thành phần phổ biến Đối với các thành phần phổ biến, chẳng hạn như điện trở, tụ điện, v.v., cần được xem xét từ một số khía cạnh như sắp xếp trật tự của các thành phần, kích thước của không gian chiếm dụng, khả năng tiếp cận của hệ thống dây điện và sự tiện lợi của hàn, và phương pháp bố trí tự động có thể được áp dụng.

2. Thiết kế dây cáp là yêu cầu chung để đạt được thiết kế bảng mạch PCB tần số cao trên cơ sở bố trí hợp lý. Routing bao gồm cả auto routing và manual routing. Thông thường, các đường tín hiệu này được định tuyến bằng tay trước, bất kể số lượng đường tín hiệu chính. Sau khi hệ thống dây điện hoàn tất, hãy kiểm tra lại hệ thống dây điện của các đường tín hiệu này. Sau khi kiểm tra thông qua, cố định nó và sau đó tự động định tuyến các dây khác. Nói cách khác, áp dụng phương thức kết hợp giữa định tuyến thủ công và tự động để hoàn thành định tuyến của bảng PCB.

Trong quá trình định tuyến của bảng mạch PCB tần số cao, cần đặc biệt chú ý đến các khía cạnh sau.

2.1 Hệ thống dây điện của mạch hướng dẫn sử dụng đường thẳng đầy đủ theo dòng chảy của tín hiệu, khi cần rẽ có thể được hoàn thành với đường đứt 45 ° hoặc đường cong vòng cung, có thể làm giảm phát xạ bên ngoài và khớp nối lẫn nhau của tín hiệu tần số cao. Dây của đường tín hiệu tần số cao nên càng ngắn càng tốt. Theo tần số làm việc của mạch, độ dài của dây tín hiệu được lựa chọn hợp lý, có thể làm giảm các thông số phân phối và giảm tổn thất tín hiệu. Khi tạo các tấm hai mặt, hệ thống dây được dựng thẳng đứng, nghiêng hoặc cong để giao nhau trên hai lớp liền kề. Tránh kết nối song song với nhau, điều này làm giảm sự can thiệp lẫn nhau và khớp nối ký sinh. Đường tín hiệu tần số cao và đường tín hiệu tần số thấp nên được tách ra càng xa càng tốt và các biện pháp che chắn nên được thực hiện nếu cần thiết để ngăn chặn sự can thiệp lẫn nhau. Đối với các thiết bị đầu vào tín hiệu yếu hơn, chúng dễ bị nhiễu từ các tín hiệu bên ngoài và có thể được bao quanh hoặc che chắn các đầu nối tần số cao bằng dây nối đất làm lá chắn. Cần tránh hệ thống dây song song trên cùng một mặt phẳng ngang, nếu không các thông số phân phối sẽ được giới thiệu và do đó ảnh hưởng đến mạch. Nếu không thể tránh khỏi, lá đồng nối đất có thể được đưa vào giữa hai đường song song để tạo thành một đường cách ly. Trong các mạch kỹ thuật số, đối với các đường tín hiệu khác biệt, chúng nên được định tuyến theo cặp, cố gắng làm cho chúng song song và gần nhau, và sự khác biệt về chiều dài là nhỏ.

2.2 Các hình thức của hệ thống dây Trong quá trình định tuyến của bảng PCB, chiều rộng của dấu vết được xác định bởi cường độ liên kết giữa dây dẫn và chất nền cách điện và cường độ dòng điện chảy qua dây dẫn. Khi độ dày của lá đồng là 0,05mm và chiều rộng từ 1mm đến 1,5mm, nó có thể vượt qua dòng điện 2A. Nhiệt độ không cao hơn 3. Ngoại trừ một số dấu vết đặc biệt, chiều rộng của các dấu vết khác trên cùng một lớp phải nhất quán nhất có thể. Khoảng cách giữa các dây trong mạch tần số cao có thể ảnh hưởng đến kích thước của điện dung phân phối và cảm ứng, do đó ảnh hưởng đến sự mất tín hiệu, sự ổn định của mạch và nhiễu do tín hiệu gây ra. Trong mạch chuyển mạch tốc độ cao, khoảng cách giữa các dây dẫn sẽ ảnh hưởng đến thời gian truyền tín hiệu và chất lượng của dạng sóng. Do đó, khoảng cách giữa các dây phải lớn hơn hoặc bằng 0,5mm và nên sử dụng dây tương đối rộng để định tuyến bảng PCB miễn là được phép. Cần duy trì một khoảng cách nhất định giữa dây in và cạnh của bảng PCB (không nhỏ hơn độ dày của bảng), điều này không chỉ thuận tiện cho việc lắp đặt và xử lý mà còn cải thiện hiệu suất cách nhiệt. Khi gặp một đường dây chỉ có thể được kết nối thành một vòng tròn lớn trong hệ thống dây điện, hãy sử dụng dây bay, tức là kết nối trực tiếp với các mạch ngắn để giảm nhiễu do hệ thống dây điện đường dài. Mạch chứa các thành phần nhạy cảm từ nhạy cảm hơn với từ trường xung quanh, và khi mạch tần số cao hoạt động, các góc của dây dễ dàng phát ra sóng điện từ. Hệ thống dây điện của cùng một tầng không cho phép giao nhau. Đối với các đường có thể giao nhau, phương pháp "khoan" và "quấn" có thể được giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp "khoan", tức là để dây "khoan" từ khoảng trống dưới chân của các thiết bị khác như điện trở, tụ điện, triode, v.v., hoặc "quấn" nó từ một đầu của dây "khoan" có thể giao nhau. Trong trường hợp đặc biệt, nếu mạch rất phức tạp, để đơn giản hóa thiết kế, Việc sử dụng dây vá cũng được phép để giải quyết các vấn đề chéo. Khi mạch tần số cao hoạt động ở tần số cao, kết hợp trở kháng của hệ thống dây điện và hiệu ứng ăng ten cũng cần được xem xét.

2.3 Yêu cầu dây cáp điện và cáp nối đất theo kích thước của dòng điện làm việc khác nhau, cố gắng tăng chiều rộng của đường dây điện. Bảng mạch PCB tần số cao nên sử dụng dây nối đất diện tích lớn nhất có thể và đặt chúng trên các cạnh của bảng mạch PCB, điều này có thể làm giảm sự can thiệp của tín hiệu bên ngoài vào mạch; Điện áp gần với điện áp mặt đất hơn. Phương thức tiếp đất nên được lựa chọn theo tình huống cụ thể. Nó không giống như các mạch tần số thấp. Dây nối đất của mạch tần số cao phải được nối đất gần hoặc nhiều điểm. Dây nối đất nên ngắn và dày để giảm thiểu trở kháng mặt đất. Yêu cầu hiện tại cho phép có thể đạt được gấp 3 lần tiêu chuẩn hiện tại làm việc. Dây nối đất của loa nên được kết nối với vị trí tiếp xúc của giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại công suất trên bảng PCB và không được tiếp đất theo ý muốn. Trong quá trình bố trí dây, nên kịp thời khóa một số dây hợp lý, tránh lặp lại bố trí dây. Đó là, thực hiện lệnh EditselectNet và sau đó chọn "Lock" trong tính năng Pre-Cable để khóa nó và không di chuyển nữa.

3. Thiết kế của tấm hàn và mạ đồng

3.1 Miếng đệm và lỗ Trong trường hợp đảm bảo khoảng cách dây không vi phạm khoảng cách điện thiết kế, miếng đệm phải được thiết kế lớn hơn để đảm bảo có đủ chiều rộng vòng. Nói chung, lỗ bên trong của tấm hàn lớn hơn một chút so với đường kính dây dẫn của phần tử và thiết kế quá lớn, khi hàn dễ dàng hình thành hàn giả. Đường kính ngoài D của đệm thường không nhỏ hơn (D+1,2) mm, trong đó D là đường kính trong của đệm. Đối với một số bảng PCB có mật độ tương đối cao, giá trị của pad có thể là (d+1,0) mm. Hình dạng của pad thường được đặt thành hình tròn, nhưng pad của mạch tích hợp gói DIP có hình dạng đường băng và có thể tăng diện tích của pad trong một không gian hạn chế, có lợi cho việc hàn mạch tích hợp. Kết nối giữa dây và pad phải là một quá trình chuyển đổi trơn tru, tức là thiết kế giọt nước nên được sử dụng khi chiều rộng dây đi vào pad tròn nhỏ hơn đường kính pad tròn. Điều quan trọng cần lưu ý là kích thước của đường kính bên trong d của tấm hàn khác nhau và nên được xem xét theo kích thước của đường kính chì của phần tử thực tế, chẳng hạn như lỗ phần tử, lỗ gắn và lỗ rãnh. Khoảng cách giữa các lỗ của miếng đệm cũng nên được xem xét theo phương pháp lắp đặt của các thành phần thực tế. Ví dụ, các thành phần như điện trở, điốt và tụ điện hình ống có hai phương pháp lắp đặt: "dọc" và "ngang". Khoảng cách giữa các lỗ của hai phương pháp này khác nhau. Ngoài ra, thiết kế khoảng cách lỗ tấm cũng nên xem xét các yêu cầu về khoảng cách giữa các thành phần, đặc biệt là khoảng cách giữa các thành phần đặc biệt cần được đảm bảo bằng cách cách lỗ giữa các tấm. Trong bảng mạch PCB tần số cao, số lượng quá lỗ nên được giảm thiểu, điều này không chỉ có thể làm giảm điện dung phân phối mà còn làm tăng độ bền cơ học của bảng mạch PCB. Tóm lại, trong thiết kế của bảng mạch PCB tần số cao, thiết kế của đĩa hàn và hình dạng của nó, khẩu độ và khoảng cách lỗ không chỉ để xem xét tính đặc thù của nó, mà còn để đáp ứng các yêu cầu của quy trình sản xuất. Thiết kế tiêu chuẩn không chỉ làm giảm chi phí sản phẩm mà còn cải thiện hiệu quả sản xuất trong khi đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.2 Mục đích chính của mạ đồng là cải thiện khả năng chống nhiễu của mạch, đồng thời rất thuận lợi cho tản nhiệt của bảng PCB và sức mạnh của bảng PCB. Tuy nhiên, không thể sử dụng một diện tích lớn của dải đồng foil, bởi vì khi bảng PCB được sử dụng trong một thời gian dài, nó sẽ tạo ra rất nhiều nhiệt, dải đồng foil dễ dàng mở rộng và rơi ra. Đồng foil, và kết nối lưới điện với lưới nối đất của mạch, làm cho lưới điện có hiệu quả che chắn tốt hơn. Kích thước của lưới được xác định bởi tần số nhiễu mà bạn muốn che chắn. Sau khi hoàn thành thiết kế dây, pad và overhole, DRC (kiểm tra quy tắc thiết kế) nên được thực hiện. Sự khác biệt giữa sơ đồ thiết kế và các quy tắc được xác định được liệt kê chi tiết trong kết quả kiểm tra cho phép phát hiện ra các mạng không đáp ứng yêu cầu. Tuy nhiên, trước khi chạy DRC (tức là thực hiện lệnh Kiểm tra Quy tắc Công cụ), DRC nên được tham số hóa trước khi đi dây.

4 Kết luận Thiết kế bảng mạch PCB tần số cao là một quá trình phức tạp, có rất nhiều yếu tố liên quan, có thể liên quan trực tiếp đến hiệu suất làm việc của mạch tần số cao. Do đó, các nhà thiết kế cần không ngừng nghiên cứu và khám phá trong công việc thực tế, tích lũy kinh nghiệm, kết hợp với công nghệ mới EDA (Electronic Design Automation, Electronic Design Automation), thiết kế ra bảng mạch PCB tần số cao với hiệu suất vượt trội.