Kebanyakan reka bentuk PCB bermula dengan skematik yang betul dan telah disahkan. Kerja sukar untuk menukar reka bentuk skematik kepada PCB akhir kemudiannya perlu dilaksanakan. Selalunya, PCB akan gagal berfungsi walaupun reka bentuk litar asal telah dibuat dengan teliti. Walaupun sesuatu skematik telah disahkan menggunakan simulasi, apa yang gagal diambil kira oleh simulasi reka bentuk tersebut ialah bahawa perincian bagiSusun atur PCBboleh memasukkan sumber ralat yang tidak dijangka ke dalam pelaksanaan reka bentuk. Hal ini terutamanya benar apabila menggunakan komponen yang lebih baharu dan berkelajuan lebih tinggi dengan kelajuan jamnya yang lebih tinggi dalam sesuatu reka bentuk. Selain itu, kelajuan pemindahan data antara peranti juga sentiasa meningkat dan tertakluk kepada jenis sumber ralat yang sama. Peningkatan kelajuan ini membolehkan nilai kapasitans dan induktans kecil yang wujud secara semula jadi dalam susun atur PCB menyebabkan pelaksanaan PCB bagi sesuatu reka bentuk gagal.
Selain memastikan bahawa PCB berfungsi, keperluan tambahan berhubung dengan toleransi reka bentuk anda terhadap hingar terpancar dan jumlah hingar terpancar yang disumbangkannya adalah sangat penting untuk mendapatkan kelulusan reka bentuk akhir. Oleh itu, apabila membangunkan aplikasi PCB anda yang seterusnya yang merangkumi isyarat berkelajuan tinggi, perhatian yang rapi mesti diberikan untuk mengurangkan isu gangguan elektromagnet.
Contoh isyarat berkelajuan tinggi termasuk isyarat jam dan port komunikasi berkelajuan tinggi. Dengan beberapa peraturan mudah, integriti isyarat dan tahap gangguan elektromagnet reka bentuk anda yang seterusnya boleh dipertingkatkan - tanpa perlu menggunakan model matematik yang kompleks atau alat simulasi yang rumit dan mahal. Artikel ini akan membentangkan beberapa peraturan mudah yang boleh diikuti untuk memastikan kejayaan reka bentuk anda yang seterusnya dengan isyarat berkelajuan tinggi.
Latar Belakang
Dalam bahagian ini kita akan membincangkan beberapa punca ralat susun atur berkelajuan tinggi dan konsep berkaitan, dengan bahagian seterusnya menyediakan peraturan umum untuk mengurangkan punca-punca ralat ini.
1. Gangguan Elektromagnet dan Keserasian Elektromagnet
Gangguan elektromagnet ialah hingar frekuensi radio yang mengganggu operasi sesuatu peranti. Sebaliknya,keserasian elektromagnetmerujuk kepada menghadkan tahap gangguan elektromagnet yang dipancarkan oleh sesuatu peranti. Semua peranti memancarkan sejumlah tertentu gangguan elektromagnet dan pada masa yang sama menyerap sejumlah gangguan elektromagnet. Matlamat seorang pereka PCB hendaklah mengurangkan kedua-dua kuantiti ini ke tahap yang munasabah. Perlu juga diperhatikan bahawa terdapat piawaian FCC dan CISPR yang ditetapkan bagi tahap EMI yang dibenarkan dipancarkan oleh peranti.
2. Isyarat Jam
Isyarat jam, yang biasa digunakan untuk memacu mikroprosesor dan port komunikasi, sepatutnya merupakan gelombang segi empat sempurna tetapi hakikatnya tidak begitu. Sebenarnya ia merupakan gabungan isyarat pada frekuensi jam nominal dan frekuensi harmonik di atas frekuensi jam tersebut. Oleh itu, EMI mesti dipertimbangkan pada kedua-dua frekuensi jam yang digunakan dalam sesuatu reka bentuk dan juga harmonik frekuensi jam di atas frekuensi jam nominal.
3. Talian Penghantaran
Pada frekuensi yang lebih tinggi, kesan talian penghantaran mula memainkan peranan walaupun padaPapan PCBtahap. Setiap kali frekuensi satu talian isyarat menyebabkan isyarat tersebut mempunyai panjang gelombang yang hampir sama dengan jejak PCB yang berkaitan, impedans ciri jejak itu perlu dipertimbangkan bagi mengelakkan pantulan akibat ketidakpadanan impedans. Secara umum, pereka PCB mesti meluangkan masa untuk memadankan impedans jejak yang berkaitan dengan transceiver yang dihubungkan oleh jejak tersebut. Menggunakan mikrostrip (jejak dengan lebar tertentu di atas satah kuasa) atau stripline (jejak dengan lebar tertentu di antara dua satah kuasa) ialah cara biasa untuk mengawal impedans talian penghantaran pada peringkat PCB.
Adalah perkara biasa juga bagi transceiver untuk mempunyai input impedans tinggi. Dalam kes ini, jejak sambungan mesti ditamatkan dengan cara yang sepadan dengan impedans ciri talian penghantaran yang disambungkannya. Terdapat beberapa teknik penamatan yang biasa digunakan, tetapi penyelidikan lanjut mengenainya akan diserahkan kepada pembaca, kerana ia berada di luar skop artikel ini.
4. Gangguan Silang
Apabila dua jejak terletak bersebelahan, ia akan digandingkan secara induktif dan kapasitif (biasanya dirujuk sebagai gangguan silang) dengan cara yang boleh membolehkan satu daripadanya menjejaskan operasi yang lain. Cara paling asas untuk menghapuskan jenis hingar ini ialah dengan memisahkan jejak tersebut pada jarak yang lebih jauh. Gangguan silang juga boleh dikurangkan dengan penggunaan satah kuasa untuk menindas tahap gangguan silang.
5. Isyarat Pembeza
Satu lagi cara untuk menangani hingar dalam laluan komunikasi adalah dengan menggunakan isyarat pembezaan. Isyarat pembezaan adalah sama dan bertentangan dari segi keupayaan. Sehubungan itu, dua jejak bertanggungjawab untuk membawa isyarat antara peranti dan nilai isyarat ditentukan oleh perbezaan keupayaan pada kedua-dua jejak tersebut, bukan keupayaan mutlak bagi setiap jejak individu. Ini menjadikan isyarat pembezaan kebal terhadap gangguan silang dan secara berkesan kebal terhadap hingar terpancar.
6. Kembalikan Kawasan Semasa dan Gelung
Apabila mempertimbangkan susun atur frekuensi tinggi, laluan balik sesuatu isyarat juga mesti diambil kira. Apabila bekerja dengan litar DC, laluan balik akan menjadi laluan dengan rintangan paling rendah, tetapi apabila mempertimbangkan isyarat AC, laluan balik akan menjadi laluan dengan impedans paling rendah. Hasilnya ialah laluan balik bagi isyarat frekuensi tinggi akan berada betul-betul di sebelah jejak isyarat tersebut. Biasanya, perbezaan dalam laluan balik bukanlah satu masalah apabila jejak isyarat dirouting di atas satah bumi, tetapi ia boleh menjadi masalah apabila satah bumi terputus di bawah jejak isyarat. Akibatnya, satu putus dalam laluan balik isyarat akan membentuk satu gelung. Gelung perlu dielakkan kerana ia jauh lebih berkesan sebagai pemancar EMI dan akan memberi kesan negatif kepada EMC sesuatu reka bentuk.
Petua Reka Bentuk Praktikal
Sekarang setelah kami membentangkan perbincangan ringkas tentang punca hingar isyarat berkelajuan tinggi, kita boleh beralih untuk membincangkan petua susun atur yang lebih khusus.
Sebelum memulakan tugas anda yang seterusnyareka bentuk PCB berkelajuan tinggianda mesti terlebih dahulu melihat keperluan keseluruhan reka bentuk. Soalan yang baik untuk ditanya ialah: Apakah frekuensi tertinggi dalam sistem? Adakah anda perlu menggunakan mikrostrip atau stripline untuk mencapai tahap penindasan hingar yang diperlukan oleh reka bentuk? Apakah isyarat sensitif dalam reka bentuk anda? Apakahtoleransi minimumdiperlukan oleh pengeluar PCB? Adakah terdapat sambungan sensitif antara kumpulan fungsi dalam reka bentuk? Dengan jawapan ini di tangan, gambaran umum tentang susunan lapisan papan dan komposisinya boleh ditentukan.
1. Susunan Papan
Salah satu pertimbangan paling asas untuk reka bentuk litar baharu ialahSusunan lapisan PCB. Jika tiada isyarat sensitif yang perlu dilindungi, anda mungkin memadai menggunakan PCB 2 lapisan standard. Jika anda dikehendaki untuk memadankan isyarat sebagai talian jalur, anda perlu menggunakan susunan 6 lapisan. PCB 4 lapisan juga boleh menjadi pilihan pertengahan yang baik.
Pertimbangan lain ialah jika anda boleh menghasilkan susunan lapisan (stackup) sedemikian rupa sehingga satah kuasa berada sangat hampir antara satu sama lain, anda boleh mengurangkan keperluan penggunaan kapasitor nyahganding bernilai kecil dalam reka bentuk anda. Akhir sekali, jika anda boleh meletakkan sumber dan takungan (sink) isyarat berkelajuan tinggi anda berdekatan antara satu sama lain pada PCB, anda akan dapat menghapuskan sebahagian besar EMI dan EMC yang berkaitan dengan isyarat tersebut.
2. Satah Kuasa dan Bumi
Keperluan paling asas bagi reka bentuk berkelajuan tinggi ialah pelaksanaan satah bumi yang lengkap. Ia juga boleh memberikan banyak manfaat jika turut memasukkan satah kuasa yang lengkap, tetapi ini memerlukan reka bentuk tersebut berasaskan susunan empat lapisan atau lebih tinggi. Terdapat juga manfaat dengan meletakkan jejak isyarat sangat hampir dengan satah kuasa, yang juga sepatutnya mempengaruhi susunan lapisan yang digunakan dalam reka bentuk akhir.
Apabila membahagikan bahagian satah kuasa, adalah penting juga untuk diingat bahawa isyarat berkelajuan tinggi mempunyai arus balik yang mengikut laluan impedans terendah dan bukannya rintangan terendah. Berhati-hatilah agar tidak memutuskan laluan balik bagi isyarat berkelajuan tinggi di antara sumber dan bebannya. Jika anda mesti memecahkan satah tanah, cuba elakkan daripada meletakkan jejak isyarat merentasi pemisahan ini. Jika keadaan memaksa anda berbuat demikian, pertimbangkan untuk menyambung semula satah tanah di sepanjang jejak isyarat dengan perintang 0 Ohm. Secara ringkasnya, gunakan satah tanah dan kuasa yang seuniform dan tidak terputus dalam reka bentuk anda sejauh yang boleh.
3. Topik Tambahan
Kapasitor nyahganding penting dalam mewujudkan laluan impedans rendah ke tanah dan kuasa untuk isyarat frekuensi tinggi. Secara umum, anda perlu menggunakan beberapa nilai kapasitor yang berbeza untuk menindas hingar frekuensi tinggi merentasi julat frekuensi yang luas. Apabila meletakkan kapasitor, letakkan kapasitor bernilai paling rendah paling hampir dengan peranti yang anda lindungi dan kemudian susuli dengan kapasitor yang bernilai semakin besar. Selain itu, pastikan kapasitor diletakkan di antara peranti dan satah kuasa yang dinyahganding oleh kapasitor tersebut. Ini akan memastikan bahawa peranti itu benar-benar dinyahganding oleh kapasitor.
Petua umum lain termasuk:
• Membulatkan bucu jejak boleh mengurangkan tahap EMI yang dipancarkan oleh isyarat. Ini kerana perubahan mendadak dalam jejak membawa kepada tahap kapasitans yang lebih tinggi dan juga menyebabkan pantulan isyarat berkelajuan tinggi.
• Untuk meminimumkan gangguan silang antara jejak isyarat, termasuk yang berada pada satah berbeza, pastikan jejak tersebut bersilang antara satu sama lain pada sudut yang betul.
• Elakkan via dalam jejak isyarat. Via mengubah impedans ciri jejak dan boleh menyebabkan pantulan. Selain itu, jika anda perlu menggunakan via dengan jejak isyarat pembezaan, pertimbangkan untuk meletakkannya pada kedua-dua jejak bagi memastikan kesannya adalah sama pada kedua-dua jejak.
• Pertimbangkan stub yang terhasil daripada penggunaan via. Pertimbangkan untuk menggunakan via buta atau tertimbus sebagai ganti via konvensional.
• Pertimbangkan kelewatan apabila menggunakan penyelesaian jam teragih. Elakkan cabang dan samakan panjang jejak dari jam ke peranti yang disambungkan. Selalunya adalah dinasihatkan untuk menggunakan pemacu jam.
