PCB ย่อมาจาก Printed Circuit Board เป็นแพลตฟอร์มพื้นฐานสำหรับบรรจุชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้บรรลุฟังก์ชันที่สอดคล้องกัน โดยอิงจากวัสดุฐานแผ่น PCB ถูกผลิตขึ้นตามแบบไฟล์การออกแบบ PCB โดยมีการเชื่อมต่อกันระหว่างชั้นของแผ่นวงจร ระหว่างแผ่นวงจรและชิ้นส่วนต่าง ๆ หน้าที่หลักของ PCB อยู่ที่บทบาทการส่งผ่านสัญญาณเชื่อมต่อ ซึ่งช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างทุกส่วนที่อยู่รอบแผ่นวงจร ดังนั้น PCB จึงมักถูกมองว่าเป็นแกนหลักของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
ควรผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ตามไฟล์การออกแบบ PCB อย่างเคร่งครัด รวมถึงไฟล์ Gerberไฟล์ดริลล์ NC, ไฟล์ออกแบบสเตนซิล เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดนี้รวมกันแล้วจะนำไปสู่แผงวงจรพิมพ์จริง บทความนี้จะเป็นคู่มืออย่างย่อเกี่ยวกับเลย์เอาต์ PCB สำหรับผู้เริ่มต้นออกแบบ PCB โดยครอบคลุมประเด็นสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบและเลย์เอาต์ PCB หวังว่าบทความนี้จะเป็นเสมือนผ้าพันแผลสำหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์มือใหม่
การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB Layout) คืออะไร?
เลย์เอาต์ PCB ประกอบด้วยการจัดวางชิ้นส่วนบนบอร์ด การเดินลายทองแดง ความกว้างของลายทองแดง ระยะห่างระหว่างลายทองแดง เป็นต้น เนื่องจากแผ่น PCB ถูกนำไปใช้ในเกือบทุกผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แผ่น PCB จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในด้านต่าง ๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค สารสนเทศ โทรคมนาคม การแพทย์ หรือแม้กระทั่งอวกาศเลย์เอาต์ PCBมีบทบาทสำคัญในการส่งผลต่อหน้าที่และประสิทธิภาพที่คาดหวังของพวกเขา
พื้นฐานการออกแบบเลย์เอาต์ PCB
ระหว่างกระบวนการวาดแผนผังด้วยซอฟต์แวร์ออกแบบ PCBจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเชี่ยวชาญตัวย่อของอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมักใช้ตัวอักษรสามตัวแรกแทนคำศัพท์ต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น RES แทนตัวต้านทาน; CAP แทนตัวเก็บประจุ; IND แทนตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างมากที่จะต้องเชี่ยวชาญคำศัพท์ทางอิเล็กทรอนิกส์บางคำ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า โอห์ม โวลต์ แอมแปร์ วัตต์ วงจร องค์ประกอบของวงจร ความต้านทาน ตัวต้านทาน ความเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำ ค่าความจุไฟฟ้า ตัวเก็บประจุ กฎของโอห์ม กฎของเคอร์ชอฟฟ์ กฎแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ (KVL) กฎกระแสไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ (KCL) ลูป เน็ตเวิร์ก วงจรพาสซีฟสองขั้ว วงจรแอคทีฟสองขั้ว
ประเด็นปัญหาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ต้องพิจารณาในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB
•ระยะทางขั้นต่ำ
การออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ควรมีกรอบ และระยะห่างขั้นต่ำระหว่างเส้นกรอบกับขาของอุปกรณ์ควรมีอย่างน้อย 2 มม. โดยการตั้งค่าให้เป็น 5 มม. ถือว่าเหมาะสม
•การวางตำแหน่งคอมโพเนนต์
โดยพื้นฐานแล้ว เมื่อพูดถึงระบบวงจรที่ประกอบด้วยวงจรดิจิทัลและวงจรแอนะล็อก วงจรเหล่านี้ควรถูกแยกออกจากกันเพื่อทำให้ระบบถูกจัดกลุ่มอย่างเป็นระบบให้อยู่ในวงจรประเภทเดียวกัน นอกจากนี้ ควรวางตำแหน่งอุปกรณ์ตามทิศทางการไหลของสัญญาณ ฟังก์ชัน และโมดูล
ควรจัดวางหน่วยประมวลผลสัญญาณขาเข้าและส่วนประกอบขับสัญญาณขาออกไว้ใกล้ขอบแผงวงจรเพื่อให้เส้นสัญญาณขาเข้า/ขาออกสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และลดการรบกวนของสัญญาณขาเข้า/ขาออก
ในด้านทิศทางการวางตำแหน่งของคอมโพเนนต์ คอมโพเนนต์สามารถวางได้เฉพาะในแนวตั้งหรือแนวนอนเท่านั้น หากมีความต่างศักย์ค่อนข้างสูงระหว่างคอมโพเนนต์ ระยะห่างระหว่างคอมโพเนนต์ควรมีมากพอที่จะป้องกันการคายประจุ
สำหรับแผงวงจรที่มีความหนาแน่นปานกลาง ระยะห่างระหว่างอุปกรณ์ที่ใช้กำลังไฟต่ำควรพิจารณาจากกระบวนการบัดกรี เมื่อเลือกใช้การบัดกรีแบบคลื่น ระยะห่างระหว่างอุปกรณ์สามารถอยู่ในช่วง 50mil ถึง 100mil
การออกแบบสายไฟและกราวด์ในเลย์เอาต์ PCB
สำหรับวิศวกรออกแบบ PCB แล้ว การทำความเข้าใจสาเหตุของการเกิดสัญญาณรบกวนระหว่างกราวด์ไลน์และเพาเวอร์ไลน์ไม่ใช่งานที่ยาก แม้การวางเลย์เอาต์ PCB จะทำได้อย่างยอดเยี่ยมเพียงใดก็ตาม การรบกวนที่เกิดจากการจัดวางเพาเวอร์ไลน์และกราวด์ไลน์ที่ขาดการพิจารณาอย่างเพียงพอก็ยังคงทำให้ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ลดลง หรืออาจถึงขั้นทำให้ระบบล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ดังนั้น หน้าที่ของวิศวกรวางเลย์เอาต์ PCB คือการลดสัญญาณรบกวนให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ด้วยวิธีการต่อไปนี้:
a. ใช้ชั้นทองแดงพื้นที่ขนาดใหญ่เป็นสายกราวด์ และส่วนที่ไม่ได้ใช้งานทั้งหมดควรเชื่อมต่อกับกราวด์ ซึ่งสามารถใช้เป็นสายกราวด์ได้ สำหรับ PCB แบบหลายชั้น ควรจัดวางสายไฟและสายกราวด์ไว้ในแต่ละชั้นแยกจากกัน
b. ควรเพิ่มตัวเก็บประจุแยกระหว่างสายไฟและสายกราวด์
c. ควรกำหนดความกว้างของสายกราวด์และสายไฟให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยควรทำให้สายกราวด์กว้างกว่าสายไฟ การจัดเรียงความกว้างของสายกราวด์ สายไฟ และสายสัญญาณควรเป็น: สายกราวด์ > สายไฟ > สายสัญญาณ
d. ควรใช้เส้นลายวงจรกราวด์ที่กว้างเพื่อทำเป็นลูปบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีวงจรดิจิทัล
เคล็ดลับสามประการในการลด EMI ในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB
การบำรุงรักษา EMC (Electromagnetic Compatibility) เป็นสิ่งที่จำเป็นต้องมีในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB การนำ EMC ไปใช้มีเป้าหมายเพื่อลด EMI (Electromagnetic Interference) ให้ได้มากที่สุด เพื่อให้ลด EMI ควรให้ความสำคัญกับองค์ประกอบสามประการต่อไปนี้: แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เส้นทางการคัปปลิง และตัวรับผลกระทบ
เพื่อให้บรรลุถึง EMC ควรเริ่มดำเนินมาตรการจากองค์ประกอบข้างต้นก่อน โดยต้องวิเคราะห์แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน เส้นทางการคัปปลิง และอุปกรณ์ที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวน จากนั้นสรุปและกำหนดมาตรการที่มีประสิทธิภาพเพื่อหยุดแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน กำจัดหรือลดการคัปปลิงของสัญญาณรบกวน ลดการตอบสนองของอุปกรณ์ที่มีความไวต่อสัญญาณรบกวน หรือเพิ่มระดับความทนทานต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
เพื่อจำกัดการรบกวนที่เกิดจากมนุษย์และพิสูจน์ความมีประสิทธิผลของมาตรการทางเทคนิคที่นำมาใช้ ควรกำหนดมาตรการด้านการจัดการด้วย ดังนั้นควรจัดทำและปฏิบัติตามระเบียบข้อบังคับและมาตรฐานที่ครบถ้วน พร้อมทั้งจัดสรรสเปกตรัมอย่างเหมาะสม นอกจากนี้ ควรมีการควบคุมและบริหารการใช้สเปกตรัม และกำหนดโหมดการทำงานตามความถี่ เวลาในการทำงาน และทิศทางของเสาอากาศ ควรวิเคราะห์สภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าและเลือกตำแหน่งติดตั้ง พร้อมทั้งดำเนินการบริหารจัดการ EMC
•แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า
แหล่งกำเนิด EMI หมายถึงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท (ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติหรือแผ่รังสีจากอุปกรณ์ไฟฟ้า) ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อบุคคลหรืออุปกรณ์ในสภาพแวดล้อมเดียวกัน หรือก่อให้เกิดความเสียหายจาก EMI ต่ออุปกรณ์อื่น ส่วนย่อยของระบบ หรือทั้งระบบ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงหรือเกิดความล้มเหลว
•เส้นทางการควบคู่
เส้นทางการคัปปลิงหมายถึงช่องทางหรือสื่อที่ใช้ในการส่งผ่านสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
•เหยื่อ
เหยื่อ หมายถึง มนุษย์หรือระบบที่ได้รับความเสียหายจาก EMI รวมถึงชิ้นส่วน อุปกรณ์ ระบบย่อย หรือระบบที่ประสิทธิภาพการทำงานลดลงหรือเกิดความล้มเหลว
