Thông tin PCB - Kỹ năng bố trí bảng mạch PCB, kỹ sư thông minh hiểu

Bảng mạch PCB, còn được gọi là bảng mạch in, cho phép kết nối mạch và thực hiện chức năng giữa các thành phần điện tử và cũng là một phần quan trọng của thiết kế mạch nguồn. Hôm nay, bài viết này sẽ giới thiệu các quy tắc cơ bản cho bố trí bảng mạch PCB và định tuyến.

1. Quy tắc cơ bản của bố cục thành phần

1) bố trí theo mô-đun mạch, mạch liên quan để đạt được chức năng tương tự được gọi là mô-đun, các thành phần trong mô-đun mạch nên áp dụng nguyên tắc tập trung gần nhất, mạch kỹ thuật số và mạch analog nên được tách ra cùng một lúc;

2) Không lắp đặt các thành phần và thiết bị trong phạm vi 1,27mm xung quanh các lỗ không lắp đặt như lỗ định vị và lỗ tiêu chuẩn, và không lắp đặt các thành phần trong phạm vi 3,5mm (đối với M2,5) và 4mm (đối với M3) xung quanh các lỗ lắp đặt như vít;

3) Tránh đặt lỗ thông qua bên dưới các thành phần như điện trở gắn ngang, cuộn cảm (chèn) và tụ điện điện phân để tránh ngắn mạch giữa lỗ thông qua và vỏ lắp ráp sau khi hàn đỉnh sóng;

4) Khoảng cách giữa mặt ngoài của thành phần và cạnh của tấm là 5mm;

5) Khoảng cách giữa mặt ngoài của miếng đệm phần tử lắp đặt và mặt ngoài của phần tử lắp đặt liền kề lớn hơn 2mm;

6) Các thành phần vỏ kim loại và các bộ phận kim loại (hộp che chắn, v.v.) không thể chạm vào các thành phần khác, cũng không gần dây in và tấm hàn, khoảng cách phải lớn hơn 2mm. Các lỗ định vị trên tấm, lỗ gắn ốc vít, lỗ hình bầu dục và các lỗ vuông khác có kích thước lớn hơn 3 mm so với cạnh của tấm;

7) Các yếu tố làm nóng không thể đến gần dây và các yếu tố nhiệt; Các yếu tố nhiệt cao nên được phân phối đều;

8) Ổ cắm điện nên được bố trí xung quanh bảng mạch in càng nhiều càng tốt và các thiết bị đầu cuối thanh cái kết nối với ổ cắm điện nên được bố trí ở cùng một bên. Cần đặc biệt chú ý không bố trí ổ cắm điện và các đầu nối hàn khác giữa các đầu nối để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hàn các ổ cắm và đầu nối này, cũng như thiết kế và bó cáp điện. Khoảng cách sắp xếp của ổ cắm điện và đầu nối hàn nên được xem xét để thuận tiện cho việc cắm và rút phích cắm điện;

9) Sắp xếp các yếu tố khác: Tất cả các yếu tố IC được căn chỉnh một bên, phân cực được đánh dấu rõ ràng trên các yếu tố phân cực và các dấu phân cực trên cùng một bảng in không được vượt quá hai hướng. Khi hai hướng xuất hiện, chúng vuông góc với nhau. ;

10) Hệ thống dây điện trên tấm phải dày đặc một cách thích hợp, khi sự khác biệt mật độ là quá lớn, lá đồng lưới nên được lấp đầy, kích thước lưới phải lớn hơn 8 triệu (hoặc 0,2mm);

11) Không nên có lỗ thông qua miếng vá để tránh mất dán, dẫn đến các thành phần được hàn. Các đường tín hiệu quan trọng không được đi qua giữa các chân ổ cắm;

12) Các bản vá được căn chỉnh ở một bên, cùng một hướng cho các nhân vật, cùng một hướng cho gói;

13) Đối với các thiết bị có phân cực, hướng đánh dấu phân cực trên cùng một bảng mạch phải nhất quán nhất có thể.

2. Quy tắc dây điện thành phần

1) Trong khu vực định tuyến ít hơn hoặc bằng 1mm từ cạnh của bảng PCB, và trong phạm vi 1mm xung quanh lỗ lắp đặt, việc định tuyến bị cấm;

2) Dây nguồn phải càng rộng càng tốt và không được nhỏ hơn 18mil; Chiều rộng đường tín hiệu không được nhỏ hơn 12 triệu; Dòng đầu vào và đầu ra của CPU không được nhỏ hơn 10 triệu (hoặc 8 triệu); Khoảng cách dòng không được nhỏ hơn 10ml;

3) Thông qua lỗ thông thường không nhỏ hơn 30 triệu;

4) Hai hàng thẳng cắm: miếng đệm 60 triệu, khẩu độ 40 triệu; Điện trở 1/4W: 51 * 55mil (0805 Surface Mount); Đĩa hàn nội tuyến 62mil, khẩu độ 42mil; Tụ điện không điện cực: 51 * 55mil (0805 Surface Mount); Khi trực tuyến, miếng đệm là 50mil và khẩu độ là 28mil;

5) Xin lưu ý rằng đường dây điện và đường dây mặt đất nên càng xuyên tâm càng tốt, và đường dây tín hiệu không nên đi vòng.

3. Làm thế nào để cải thiện khả năng chống nhiễu và khả năng tương thích điện từ

Làm thế nào để cải thiện khả năng chống nhiễu và khả năng tương thích điện từ khi phát triển thiết bị điện tử với bộ xử lý?

3.1 Các hệ thống sau đây cần đặc biệt chú ý đến khả năng chống nhiễu điện từ:

1) Hệ thống có tần số đồng hồ vi điều khiển đặc biệt cao và chu kỳ bus đặc biệt nhanh.

2) Hệ thống này chứa công suất cao, mạch điều khiển hiện tại cao, chẳng hạn như rơle phát sinh tia lửa, công tắc hiện tại cao, v.v.

3) Hệ thống với mạch tín hiệu analog yếu và mạch chuyển đổi A/D cao.

3.2 Thực hiện các biện pháp sau để cải thiện khả năng chống nhiễu điện từ của hệ thống:

1) Chọn vi điều khiển tần số thấp: Chọn vi điều khiển có tần số xung nhịp bên ngoài thấp có thể giảm tiếng ồn hiệu quả và cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống. Sóng vuông và sóng sin có cùng tần số và thành phần tần số cao trong sóng vuông nhiều hơn sóng sin. Mặc dù biên độ của thành phần tần số cao của sóng vuông nhỏ hơn biên độ của sóng cơ bản, nhưng tần số càng cao, nó càng dễ phát ra và trở thành nguồn nhiễu. Các vi điều khiển tạo ra tiếng ồn tần số cao hơn khoảng 3 lần so với tần số xung nhịp.

2) Giảm biến dạng trong truyền tín hiệu

Vi điều khiển được sản xuất chủ yếu bằng công nghệ CMOS tốc độ cao. Hiện tại đầu vào tĩnh của đầu vào tín hiệu là khoảng 1mA, điện dung đầu vào là khoảng 10PF, trở kháng đầu vào khá cao, đầu ra của mạch CMOS tốc độ cao có khả năng tải đáng kể, tức là giá trị đầu ra đáng kể. Khi một đường dài được đưa vào đầu vào với trở kháng đầu vào tương đối cao, vấn đề phản xạ là rất nghiêm trọng, điều này sẽ dẫn đến biến dạng tín hiệu và tăng nhiễu hệ thống. Khi Tpd>Tr, nó trở thành một vấn đề đường truyền và các vấn đề như phản xạ tín hiệu và phù hợp trở kháng phải được xem xét. Thời gian trễ của tín hiệu trên bảng mạch in có liên quan đến trở kháng đặc trưng của dây dẫn, tức là liên quan đến hằng số điện môi của vật liệu bảng mạch in. Có thể cho rằng tốc độ truyền tín hiệu trên dây dẫn bảng mạch in bằng khoảng 1/3 đến 1/2 tốc độ ánh sáng. Trong các hệ thống vi điều khiển, Tr (thời gian trễ chuẩn) cho các thành phần điện thoại logic thông thường dao động từ 3 đến 18ns. Trên bảng mạch in, tín hiệu đi qua điện trở 7W và dây dẫn dài 25cm, thời gian trễ dây khoảng 4~20ns. Đó là, các tín hiệu chì ngắn hơn trên mạch in, chiều dài của nó không được vượt quá 25cm. Số lượng lỗ thông qua nên càng ít càng tốt, không quá 2. Khi thời gian tăng của tín hiệu nhanh hơn thời gian trễ của tín hiệu, nó được xử lý theo công nghệ điện tử nhanh. Tại thời điểm này, nên xem xét kết hợp trở kháng của đường truyền. Để truyền tín hiệu giữa các khối tích hợp trên bảng mạch in, nên tránh trường hợp Td>Trd. Bảng mạch in càng lớn, tốc độ hệ thống càng nhanh.

3) Giảm nhiễu chéo giữa các đường tín hiệu: Tín hiệu bước với thời gian tăng Tr tại điểm A được truyền qua đầu AB đến đầu B. Thời gian trễ của tín hiệu đường AB là Td. Tại điểm D, tín hiệu xung trang có chiều rộng Tr sẽ được cảm nhận sau thời gian Td do truyền tín hiệu chuyển tiếp tại điểm A, phản xạ của tín hiệu sau khi đến điểm B và độ trễ của đường AB. Tại điểm C, một tín hiệu xung dương được cảm nhận rộng gấp đôi thời gian trễ tín hiệu trên đường AB, được gọi là 2Td, do sự truyền và phản xạ của tín hiệu trên AB. Đây là nhiễu chéo giữa các tín hiệu. Cường độ của tín hiệu nhiễu có liên quan đến di/at của tín hiệu tại điểm C, trong khi di/at có liên quan đến khoảng cách giữa các đường dây. Khi hai đường tín hiệu không quá dài, những gì thực sự nhìn thấy trên AB là sự chồng chất của hai xung. Các vi điều khiển được sản xuất bằng quy trình CMOS có trở kháng đầu vào cao, tiếng ồn cao và khả năng chịu tiếng ồn cao. Mạch kỹ thuật số chồng chất tiếng ồn 100~200mv mà không ảnh hưởng đến công việc của nó. Nếu đường AB trong hình là tín hiệu tương tự, nhiễu này trở nên không thể chịu đựng được. Ví dụ, khi một bảng mạch in là một bảng bốn lớp, trong đó một lớp là mặt đất diện tích lớn, hoặc bảng điều khiển kép, nhiễu chéo giữa các tín hiệu giảm khi mặt sau của đường tín hiệu là mặt đất diện tích lớn. Lý do là mặt đất trên diện tích lớn làm giảm trở kháng đặc trưng của đường tín hiệu và giảm đáng kể sự phản xạ của tín hiệu ở đầu D. Trở kháng đặc trưng tỷ lệ nghịch với bình phương của hằng số điện môi của môi trường giữa đường tín hiệu và mặt đất, tỷ lệ thuận với logarit tự nhiên của độ dày môi trường. Nếu đường AB là tín hiệu tương tự, để tránh sự can thiệp của đường tín hiệu mạch kỹ thuật số CD vào AB, phải có một diện tích đất lớn dưới đường AB và khoảng cách từ đường AB đến đường CD phải lớn hơn 2~3 lần khoảng cách giữa đường AB và mặt đất. Một phần che chắn có thể được sử dụng và các dây nối đất được bố trí ở hai bên trái và phải của dây dẫn ở một bên của khớp dẫn.

4) Giảm tiếng ồn điện

Trong khi cung cấp năng lượng cho hệ thống, nguồn điện cũng thêm tiếng ồn của nó vào nguồn điện được cung cấp. Các đường đặt lại, đường đứt giữa và các đường điều khiển khác của vi điều khiển trong mạch dễ bị nhiễu từ tiếng ồn bên ngoài. Sự can thiệp mạnh mẽ trên lưới điện đi vào mạch thông qua nguồn điện, và ngay cả trong các hệ thống chạy bằng pin, bản thân pin cũng có tiếng ồn tần số cao. Các tín hiệu analog trong mạch analog có khả năng chống nhiễu tốt hơn từ nguồn điện.

5) Chú ý đến các đặc tính tần số cao của bảng mạch in và các thành phần

Trong trường hợp tần số cao, không thể bỏ qua cảm ứng phân phối và điện dung của dây dẫn, thông qua lỗ, điện trở, tụ điện và đầu nối trên bảng mạch in. Không thể bỏ qua cuộn cảm phân phối của tụ điện, và không thể bỏ qua tụ điện phân phối của cuộn cảm. Điện trở tạo ra sự phản xạ của tín hiệu tần số cao và điện dung phân phối của dây dẫn sẽ hoạt động. Khi chiều dài lớn hơn 1/20 bước sóng tương ứng với tần số tiếng ồn, hiệu ứng ăng ten sẽ được tạo ra và tiếng ồn sẽ được truyền qua dây dẫn. Thông qua lỗ của bảng mạch in tạo ra điện dung khoảng 0,6 pf. Bản thân vật liệu đóng gói của mạch tích hợp giới thiệu điện dung 2~6pf. Một loại đầu nối trên bảng mạch có điện cảm phân phối 520nH. Ổ cắm IC 24 chân trực tiếp hai hàng với cảm ứng phân phối 4~18nH. Ở tần số thấp hơn, các thông số phân phối nhỏ này là không đáng kể đối với dòng hệ thống vi điều khiển này; Cần đặc biệt chú ý đến các hệ thống tốc độ cao.

6) Bố trí thành phần nên được phân vùng hợp lý

Vị trí đặt các thiết bị nguyên tử trên bảng mạch in phải xem xét đầy đủ vấn đề chống nhiễu điện từ. Một trong những nguyên tắc là các dây dẫn giữa các thành phần phải càng ngắn càng tốt. Về cách bố trí, phần tín hiệu tương tự, phần mạch kỹ thuật số tốc độ cao và phần nguồn tiếng ồn (chẳng hạn như rơle, công tắc dòng điện cao, v.v.) nên được tách ra một cách hợp lý để tín hiệu khớp nối giữa chúng.

G Xử lý dây nối đất

Trên bảng mạch in, dây nguồn và dây mặt đất rất quan trọng. Để khắc phục nhiễu điện từ, phương tiện chính là nối đất. Đối với bảng điều khiển hai mặt, bố trí đường đất rất đặc biệt. Bằng cách sử dụng phương pháp nối đất một điểm, nguồn điện và dây mặt đất được kết nối với bảng mạch in từ cả hai đầu của nguồn điện, một điểm tiếp xúc cho nguồn điện và một điểm tiếp xúc cho mặt đất. Trên một bảng mạch in, phải có nhiều đường nối đất chảy ngược, tập trung tại các điểm tiếp xúc của nguồn điện trở lại, được gọi là mặt đất một điểm. Sự tách biệt của cái gọi là nối đất tương tự, nối đất kỹ thuật số và nối đất của các thiết bị công suất cao, có nghĩa là hệ thống dây điện được tách ra và tất cả đều tập hợp tại địa điểm nối này. Cáp được che chắn thường được sử dụng khi kết nối với tín hiệu bên ngoài bảng mạch in. Đối với tín hiệu tần số cao và kỹ thuật số, cáp được che chắn được nối đất ở cả hai đầu. Cáp được che chắn cho tín hiệu analog tần số thấp phải được nối đất ở một đầu. Các mạch rất nhạy cảm với tiếng ồn và nhiễu hoặc các mạch có tiếng ồn tần số cao đặc biệt nên được che chắn bằng nắp kim loại.

7) Tận dụng tối đa tụ điện tách rời

Một tụ tách tần số cao tốt có thể loại bỏ các thành phần tần số cao lên đến 1GHz. Tụ chip gốm hoặc tụ gốm nhiều lớp có đặc tính tần số cao hơn. Khi thiết kế bảng mạch in, một tụ điện tách rời nên được thêm vào giữa nguồn điện và mặt đất của mỗi mạch tích hợp. tụ điện tách rời có hai chức năng: một mặt, nó là tụ điện lưu trữ năng lượng của mạch tích hợp, cung cấp và hấp thụ năng lượng sạc và xả của mạch tích hợp ngay lập tức mở và đóng cửa; Mặt khác, nó bỏ qua tiếng ồn tần số cao của thiết bị. Điện dung tách rời điển hình trong mạch kỹ thuật số là 0,1 uf. Điện cảm phân phối của tụ điện tách rời là 5nH và tần số cộng hưởng song song của nó là khoảng 7 MHz, có nghĩa là nó có hiệu ứng tách rời tốt đối với tiếng ồn dưới 10 MHz. Tiếng ồn hầu như không hoạt động. Tụ điện 1uf, 10uf, tần số cộng hưởng song song trên 20MHz, hiệu quả loại bỏ tiếng ồn tần số cao tốt hơn. Các tụ điện tần số cao 1uf hoặc 10uf thường có lợi khi nguồn điện đi vào bảng mạch, điều mà ngay cả các hệ thống chạy bằng pin cũng cần. Mỗi 10 mạch tích hợp nên được thêm vào một tụ điện sạc và xả, hoặc một thùng chứa lưu trữ và xả. Kích thước của tụ điện có thể là 10uf. Không sử dụng tụ điện phân. Tụ điện phân được cuộn lại bởi hai lớp màng Pu. Cấu trúc cuộn này thể hiện ở tần số cao như điện cảm. Sử dụng tụ điện mật hoặc tụ điện polycarbonate. Việc lựa chọn giá trị điện dung tách rời không nghiêm ngặt, có thể được tính bằng C=1/f; Điều đó nói rằng, 10 MHz yêu cầu 0,1 uf, có thể dao động từ 0,1 đến 0,01uf cho các hệ thống bao gồm vi điều khiển.

3. Có kinh nghiệm giảm tiếng ồn và nhiễu điện từ.

1) Nếu bạn có thể sử dụng chip tốc độ thấp, bạn không cần chip tốc độ cao. Các bộ phận quan trọng sử dụng chip tốc độ cao.

2) Điện trở có thể được kết nối trong loạt để giảm tốc độ chuyển đổi ở các cạnh trên và dưới của mạch điều khiển.

3) Cố gắng cung cấp một số hình thức giảm xóc cho rơle, v.v.

4) Sử dụng đồng hồ tần số phù hợp với yêu cầu hệ thống.

5) Máy phát đồng hồ phải càng gần thiết bị sử dụng đồng hồ càng tốt và vỏ của bộ dao động tinh thể thạch anh phải được nối đất.

6) Vòng quanh khu vực đồng hồ với các đường nối đất và giữ cho đường đồng hồ càng ngắn càng tốt.

7) Mạch điều khiển I/O nên càng gần cạnh của bảng mạch in càng tốt và để nó rời khỏi bảng càng sớm càng tốt. Tín hiệu vào bảng mạch in phải được lọc, cũng như tín hiệu từ các khu vực có tiếng ồn cao. Đồng thời, phương pháp kháng thiết bị đầu cuối nối tiếp nên được sử dụng để giảm phản xạ tín hiệu.

8) Đầu vô dụng của MCD nên được kết nối với mức cao hoặc mặt đất, hoặc được xác định là đầu ra. Một mạch tích hợp nên được kết nối với một đầu của nơi cung cấp điện và không nên nổi.

9) Không thả nổi đầu vào của mạch cửa không sử dụng, nối đất đầu vào tích cực của bộ khuếch đại hoạt động không sử dụng và kết nối đầu vào tiêu cực với đầu ra.

10) Bảng mạch in nên cố gắng sử dụng 45 đường thay vì 90 đường để giảm phát xạ và ghép nối bên ngoài của tín hiệu tần số cao.

11) Bảng mạch in được phân chia theo tần số và đặc tính chuyển mạch hiện tại, khoảng cách giữa thành phần tiếng ồn và thành phần không ồn nên xa hơn.

12) Kết nối một điểm cung cấp năng lượng và nối đất một điểm cho bảng điều khiển đơn và bảng điều khiển kép, dây nguồn và dây mặt đất phải dày nhất có thể. Nếu điều kiện kinh tế cho phép, các tấm nhiều lớp có thể được sử dụng để giảm điện dung cảm của nguồn điện và mặt đất.

13) Giữ tín hiệu lựa chọn đồng hồ, xe buýt và chip tránh xa cáp I/O và đầu nối.

14) Đường đầu vào điện áp tương tự và thiết bị đầu cuối điện áp tham chiếu phải càng xa đường tín hiệu mạch kỹ thuật số càng tốt, đặc biệt là đồng hồ.

15) Đối với thiết bị A/D, phần kỹ thuật số và phần tương tự nên được thống nhất, không phải là chéo.

16) Đường đồng hồ vuông góc với đường I/O ít nhiễu hơn so với đường I/O song song và chân lắp ráp đồng hồ cách xa cáp I/O.

17) Các chân thành phần nên càng ngắn càng tốt và các chân tụ điện tách rời nên càng ngắn càng tốt.

18) Các đường chính phải càng dày càng tốt và mặt đất phải được bảo vệ ở cả hai bên. Đường cao tốc phải ngắn và thẳng.

19) Không chạy đường dây nhạy cảm với tiếng ồn song song với dòng điện cao, đường dây chuyển mạch tốc độ cao.

20) Không chạy dấu vết dưới tinh thể thạch anh và thiết bị nhạy cảm với tiếng ồn.

21) Mạch tín hiệu yếu, không tạo thành vòng lặp hiện tại xung quanh mạch tần số thấp.

22) Không tạo vòng lặp cho bất kỳ tín hiệu nào, nếu không thể tránh khỏi, hãy cố gắng giảm diện tích vòng lặp.

23) Một tụ điện tách rời cho mỗi IC. Một tụ điện bypass tần số cao nhỏ nên được thêm vào bên cạnh mỗi tụ điện điện phân.

24) Sử dụng tụ điện tantali công suất lớn hoặc tụ điện đa lạnh thay vì tụ điện điện phân làm tụ điện lưu trữ năng lượng sạc và xả mạch. Khi sử dụng tụ điện hình ống, vỏ phải được nối đất trên bảng mạch PCB.