ในฐานะแพลตฟอร์มสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แผงวงจรพิมพ์ (Printed Circuit Boards: PCBs) มีบทบาทสำคัญในฐานะตัวเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ และทำหน้าที่เป็นฐานของอุปกรณ์หรือเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นสมรรถนะและคุณภาพของแผงวงจรจึงส่งผลโดยตรงต่อสมรรถนะของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้มีแนวโน้มที่ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากจะทำงานร่วมกัน ส่งผลให้การรบกวนระหว่างกันเพิ่มสูงขึ้น นอกจากนี้ ความหนาแน่นของ PCB ที่เพิ่มขึ้นยังทำให้คุณภาพของการออกแบบ PCB มีบทบาทสำคัญในการกำหนดระดับของการรบกวนและความสามารถในการทนต่อการรบกวน ดังนั้น นอกเหนือจากการเลือกใช้ชิ้นส่วนและการออกแบบวงจรแล้ว การจัดวางชิ้นส่วนและการวางลายวงจรที่ดีเยี่ยมยังมีส่วนช่วยในการออกแบบ EMC (ElectroMagnetic Compatibility) ของ PCB หากต้องการให้วงจรทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
EMC หมายถึงความสามารถของอุปกรณ์หรือระบบที่สามารถทำงานได้ตามปกติในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะเดียวกันก็ไม่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่สามารถยอมรับได้ต่ออุปกรณ์หรือระบบโดยรอบ สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ ซึ่งโดยสรุปหลัก ๆ มาจากความถี่การทำงานที่สูงเป็นพิเศษหรือการจัดวางและการเดินลายวงจรที่ไม่เหมาะสม ภายใต้บริบทของความถี่วิทยุ (RF) ที่สูงซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ ผู้ออกแบบควรให้ความสำคัญกับการจัดวางอุปกรณ์ การเดินลายวงจร การออกแบบระบบจ่ายไฟและกราวด์เมื่อทำการออกแบบ PCB เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้าน EMC นอกจากนี้ สำหรับ PCB ที่มีจำนวนชั้นต่างกัน ควรคำนึงถึงองค์ประกอบการออกแบบที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด
• กระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียลและกระแสโหมดร่วม
a. การส่งสัญญาณแบบโหมดดิฟเฟอเรนเชียลและการส่งสัญญาณแบบโหมดร่วม
ในวงจรใด ๆ จะมีกระแสโหมดร่วม (CM) และกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (DM) อยู่ร่วมกัน ทั้งสองชนิดนี้เป็นตัวกำหนดระดับของการส่งผ่านคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ตามความเป็นจริงแล้ว มีความแตกต่างกันอย่างมากระหว่างทั้งสอง เมื่อมีคู่สายหรือรอยลายวงจรและแหล่งอ้างอิงกราวด์เป็นตัวคืนกระแส กระแสทั้งสองประเภทก็สามารถเกิดขึ้นได้ โดยทั่วไปแล้ว สัญญาณ DM จะเป็นตัวนำข้อมูลหรือสารสนเทศที่เป็นประโยชน์ อย่างไรก็ตาม โหมดร่วมเป็นสาเหตุของปัญหาส่วนใหญ่ต่อ EMC ในฐานะผลกระทบด้านลบของกระแส DM การส่งผ่านแบบ DM มักถูกนิยามว่าเป็นการส่งจากสายหนึ่งไปยังอีกสายหนึ่ง ในขณะที่การส่งผ่านแบบ CM มักถูกนิยามว่าเป็นการส่งจากสายไปยังกกราวด์ ความเข้มสนามสูงสุดที่เกิดจากลูปปิดสามารถคำนวณได้จากสมการ
.อหมายถึงความเข้มสนามสูงสุด (μV/m);รหมายถึงระยะห่างระหว่างลูปปิดและเสาอากาศวัด (เมตร)fหมายถึงความถี่ (MHz);ฉันสหมายถึงกระแสไฟฟ้าปัจจุบัน (mA); A หมายถึงพื้นที่ของลูป (ซม.²)
จากสูตรข้างต้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความเข้มของสนามแปรผันตามพื้นที่ของลูปโดยตรง เพื่อให้ระดับการส่งผ่านแบบ DM (TL) ลดลง พื้นที่ของลูปควรถูกลดขนาดลง นอกเหนือจากการลดกระแสต้นทาง
การแผ่รังสี CM เกิดจากการตกคร่อมแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าของกราวด์บางส่วนสูงกว่ากราวด์อ้างอิง สายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับระบบกราวด์ที่มีอิทธิพลถือเป็นเสาอากาศซึ่งเป็นองค์ประกอบหนึ่งของการแผ่รังสี CM องค์ประกอบในระยะไกลสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ
,Kหมายถึงสัมประสิทธิ์การส่งผ่านฉันหมายถึงกระแส CM (A);ลหมายถึงความยาวสายเคเบิล (เมตร)ฟหมายถึงความถี่การส่งสัญญาณ (MHz);รหมายถึงระยะทาง (ม.)
สูตรนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความเข้มของสนามแปรผันโดยตรงกับความยาวของสายเคเบิล การลดการส่งผ่านโหมดร่วม (CM) ขึ้นอยู่กับการลดลงของกระแสโหมดร่วมและการลดความยาวของสายเคเบิล
b. การแปลงระหว่างเซนติเมตร (CM) และเดซิเมตร (DM)
DM และ CM สามารถแปลงกลับไปมาระหว่างกันได้เมื่อมีสายสัญญาณสองเส้นที่มีอิมพีแดนซ์ต่างกัน อิมพีแดนซ์ถูกกำหนดโดยหลักจากลวดนำสัญญาณหรือคาปาซิเตอร์และอินดักเตอร์แบบฟันหวีที่สัมพันธ์กับการวางลายวงจรทางกายภาพ สำหรับการวางลายวงจรของแผ่น PCB ส่วนใหญ่ ควรควบคุมค่าคาปาซิแตนซ์และอินดักแตนซ์ปรสิตให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด CM และ DM ดังนั้น วงจรที่ไวต่อสภาพแวดล้อมจำเป็นต้องทำให้เกิดสมดุลผ่านวิธีการบางอย่าง เพื่อให้ลวดนำสัญญาณหรือคาปาซิแตนซ์แบบฟันหวีของตัวนำแต่ละเส้นมีค่าเทียบเท่ากับคาปาซิแตนซ์ปรสิต
c. วิธีทั่วไปในการหยุดสัญญาณรบกวนแบบ CM และ DM
แนวทางพื้นฐานในการหยุดกระแสโหมดร่วม (CM) และโหมดต่าง (DM) รวมถึงการรบกวนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RF) อยู่ที่การหักล้างความจุกระแสหรือการทำให้ความจุกระแสมีค่าน้อยที่สุด เมื่อมีกระแสไหลในลายวงจร จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็ก ซึ่งนำไปสู่การเกิดสนามไฟฟ้า ทั้งสองสนามสามารถแผ่พลังงาน RF ออกมาได้ หากเส้นแรงแม่เหล็กถูกหักล้างหรือถูกลดให้เหลือน้อยที่สุด พลังงาน RF ก็จะไม่คงอยู่ ส่งผลให้การรบกวนหมดไป มาตรการหรือกฎเกณฑ์เฉพาะที่สามารถปฏิบัติตามได้จะถูกกล่าวถึงในส่วนถัดไปของบทความนี้
• การรบกวนสัญญาณ
ในฐานะองค์ประกอบที่สำคัญของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การรบกวนระหว่างสัญญาณ (crosstalk) จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบในทุกขั้นตอนของกระบวนการทั้งหมด การรบกวนระหว่างสัญญาณหมายถึงการคัปปลิงทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างลายวงจร ขาอุปกรณ์ มัดสายเคเบิล ชิ้นส่วน หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่มีแนวโน้มจะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
ในฐานะที่เป็นวิธีการส่งผ่าน EMI (ElectroMagnetic Interference) ชั้นนำ ครอสทอล์กมักทำให้เกิดการรบกวนระหว่างลายวงจร ครอสทอล์กสามารถแบ่งออกได้เป็นการคัปปลิงแบบความจุไฟฟ้าและการคัปปลิงแบบความเหนี่ยวนำ แบบแรกมักเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าลายวงจรอยู่เหนือเส้นลายวงจรอื่นหรือระนาบอ้างอิง ส่วนแบบหลังมักเกิดจากลายวงจรที่อยู่ใกล้กันทางกายภาพ เมื่อพูดถึงลายวงจรที่ขนานกัน ครอสทอล์กมีอยู่สองโหมดคือ แบบไปข้างหน้าและแบบย้อนกลับ สำหรับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ครอสทอล์กแบบย้อนกลับมีความสำคัญต่อการพิจารณามากกว่าครอสทอล์กแบบไปข้างหน้า ในวงจร ยิ่งอิมพีแดนซ์ระหว่างแหล่งจ่ายไฟและลายวงจรที่ถูกรบกวนมีค่ามากเท่าใด ระดับครอสทอล์กก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ครอสทอล์กแบบความเหนี่ยวนำสามารถควบคุมได้โดยการเพิ่มระยะห่างขอบต่อขอบระหว่างลายวงจรและสายส่งหรือขาเชื่อมต่อ หรือโดยการลดระยะห่างระหว่างลายวงจรกับระนาบอ้างอิงให้เหลือน้อยที่สุด
• การวิเคราะห์สเปกตรัมสัญญาณดิจิทัล
a. สัญญาณดิจิทัล
คุณลักษณะของสัญญาณดิจิทัลคือสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม และสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมประกอบด้วยคลื่นพื้นฐานและคลื่นฮาร์มอนิกไซน์จำนวนมาก สามารถประยุกต์ใช้การแปลงฟูริเยร์เพื่อจับรูปคลื่นย่านความถี่ของสัญญาณดิจิทัลได้ ดังนั้น ยิ่งคาบการซ้ำของพัลส์สั้นเท่าใด ความถี่การซ้ำก็จะยิ่งสูงขึ้น และความถี่ฮาร์มอนิกก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ตามทฤษฎีแล้ว เวลาขึ้นของคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นศูนย์ ทำให้มีคอนเทนต์ฮาร์มอนิกเป็นอนันต์ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงจะเป็นรูปคลื่นทราเปโซอิดที่มีทั้งขอบขาขึ้นและขอบขาลง
b. การแปลงโดเมนเวลาและโดเมนความถี่ของพัลส์ (การแปลงฟูริเยร์)
การแปลงฟูริเยร์ทำให้พัลส์สี่เหลี่ยมถูกแยกออกเป็นคลื่นโคไซน์หรือไซน์ ตามสมการ
ในสมการนี้โฆษณานหมายถึงแอมพลิจูดของแต่ละคลื่นโคไซน์นหมายถึงจำนวนของคลื่นฮาร์มอนิกwหมายถึงความถี่เชิงมุม
• การแยกส่วนและการต่อลงดิน
a. การออกแบบแบบแยกส่วน
ฟิลเตอร์ความถี่ต่ำซึ่งประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุสามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้ ความเหนี่ยวนำปรสิตบนสายจะทำให้การจ่ายไฟช้าลง ส่งผลให้กระแสเอาต์พุตของอุปกรณ์ขับเคลื่อนลดลง การวางตัวเก็บประจุแยกกรองในตำแหน่งที่เหมาะสมและการใช้ประโยชน์จากฟังก์ชันการกักเก็บพลังงานของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ทำให้สามารถจ่ายกระแสให้กับอุปกรณ์ได้ในขณะเปิดและปิด ในวงจร DC การเปลี่ยนแปลงของโหลดจะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ การกำหนดค่าตัวเก็บประจุแยกกรองสามารถหยุดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของโหลดได้
b. การออกแบบระบบกราวด์
สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การต่อลงดินเป็นวิธีที่สำคัญอย่างยิ่งในการควบคุมสัญญาณรบกวน หากการต่อลงดินถูกนำมาใช้ร่วมกับมาตรการป้องกันสัญญาณรบกวนอย่างถูกต้อง ปัญหาสัญญาณรบกวนส่วนใหญ่ก็จะได้รับการแก้ไข
• การจัดวางและการเดินสายของคอมโพเนนต์
การจัดวางวงจรเป็นตัวกำหนดโดยตรงถึงระดับของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าและความเข้มของความสามารถในการทนต่อสัญญาณรบกวน การจัดวางที่เหมาะสมไม่เพียงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวงจร แต่ยังช่วยปรับปรุงคุณสมบัติ EMC ของทั้งระบบด้วย ยิ่งความถี่การทำงานของวงจรย่อยสูงขึ้น ความเร็วก็จะยิ่งสูงขึ้น และสเปกตรัมสัญญาณก็จะยิ่งหลากหลายมากขึ้น ดังนั้นสัดส่วนขององค์ประกอบความถี่สูงยิ่งมาก สัญญาณรบกวนก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้น มองจากมุมมองของความถี่ วงจรความถี่สูงจะมาก่อน ตามด้วยวงจรความถี่กลาง และสุดท้ายคือวงจรความถี่ต่ำ แต่หากมองจากมุมมองของความเร็วลอจิก วงจรความเร็วสูงจะมาก่อน ตามด้วยวงจรความเร็วปานกลาง และสุดท้ายคือวงจรความเร็วต่ำ ตามทฤษฎีดังกล่าว การจัดวางวงจรควรดำเนินการให้สอดคล้องกับการออกแบบต่อไปนี้
นอกจากการจำแนกตามความถี่หรือความเร็วแล้ว ยังสามารถใช้หน้าที่และประเภทเป็นมาตรฐานในการจำแนกได้ด้วย มาตรการโดยละเอียดที่จะต้องดำเนินการจะถูกกล่าวถึงในส่วนถัดไปของบทความนี้ โปรดอ่านต่อแล้วคุณจะได้รับข้อมูลเหล่านั้นอย่างละเอียด
เมื่อได้ค้นพบแหล่งสัญญาณรบกวนที่ทำให้ประสิทธิภาพ EMC ของวงจรเสียหายแล้ว ก็ควรกำหนดกฎการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับ EMC ให้สอดคล้องกับแหล่งรบกวนเหล่านั้น ต่อไปนี้คือกฎการออกแบบ PCB เพื่อให้บรรลุความสำเร็จด้าน EMC
• เค้าโครงพื้นผิว
a.จำเป็นต้องคำนึงถึงขนาดของ PCB เมื่อเป็นบอร์ดที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ ลายวงจรจะต้องเดินทางไกลขึ้น ทำให้ค่าความต้านทานอิมพีแดนซ์เพิ่มขึ้น ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนลดลง และต้นทุนการผลิตสูงขึ้น เมื่อเป็นบอร์ดที่มีขนาดเล็กเป็นพิเศษ จะเกิดปัญหาในการระบายความร้อน และมีแนวโน้มที่จะเกิดการครอสทอล์กระหว่างลายวงจรที่อยู่ติดกัน ขนาด PCB ที่แนะนำคือรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยอัตราส่วนระหว่างความยาวต่อความกว้างควรเป็น 3:2 หรือ 4:3 นอกจากนี้ เมื่อขนาดบอร์ดเกิน 200mm*150mm ควรคำนึงถึงความแข็งแรงทางกลที่บอร์ดสามารถรองรับได้ ดังนั้น การทราบขีดจำกัดด้านขนาดบอร์ดของผู้ผลิต PCB ของคุณจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น PCBCart สามารถพิมพ์แผงวงจรที่มีขนาดเล็กสุด 6*6mm และใหญ่สุด 600*700mm ตรวจสอบการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบกำหนดเองความสามารถสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม
ข.ควรพิจารณาการแบ่งส่วนอย่างรอบคอบสำหรับการออกแบบการจัดวางคอมโพเนนต์ วงจรดิจิทัล วงจรแอนะล็อก และแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนควรถูกจัดวางแยกจากกันบนบอร์ด และวงจรความถี่สูงควรถูกแยกออกจากวงจรความถี่ต่ำ นอกจากนี้ ควรให้ความสนใจกับการกระจายตัวของคอมโพเนนต์ที่มีสัญญาณแรงและสัญญาณอ่อน รวมถึงประเด็นทิศทางการส่งสัญญาณด้วย
ค.เลย์เอาต์ควรจัดให้ศูนย์กลางอยู่ที่คอมโพเนนต์หลักในแต่ละวงจรฟังก์ชัน เพื่อให้คอมโพเนนต์ถูกจัดวางอย่างเป็นระเบียบ กะทัดรัด และอยู่ในทิศทางเดียวกัน เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการคัปปลิงระหว่างสัญญาณ คอมโพเนนต์ที่ไวต่อสัญญาณรบกวนไม่ควรถูกจัดวางให้อยู่ติดกัน
ง.ส่วนประกอบสัญญาณที่มีความไวสูงควรอยู่ห่างจากอุปกรณ์จ่ายไฟและอุปกรณ์กำลังสูง และไม่อนุญาตให้สายสัญญาณที่มีความไวสูงพาดผ่านอุปกรณ์กำลังสูง ส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อนควรวางให้ห่างจากอุปกรณ์ที่ให้ความร้อน ในขณะที่ส่วนประกอบที่ไวต่ออุณหภูมิควรวางไว้ในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุด
e.ควรเพิ่มระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนที่มีความต่างศักย์สูงเพื่อหลีกเลี่ยงความเป็นไปได้ของการเกิดลัดวงจร นอกจากนี้ ควรพยายามจัดวางชิ้นส่วนกำลังสูงไว้ในตำแหน่งที่ไม่สามารถเอื้อมมือไปสัมผัสได้ระหว่างการทดสอบ และต้องผ่านการป้องกันด้วยฉนวน
f.รูทะลุหนึ่งรูจะทำให้เกิดค่าคาปาซิแตนซ์แบบกระจายตัว 0.5pF ดังนั้นการลดจำนวนรูทะลุจึงเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงความเร็วในการทำงาน
•เค้าโครงคอมโพเนนต์
a.เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์แบบแยกชิ้น ควรให้ความสำคัญในการเลือกใช้อุปกรณ์ IC ก่อน เนื่องจากมีข้อดีด้านการบรรจุหีบห่อที่ยอดเยี่ยม จำนวนจุดบัดกรีน้อย และอัตราความล้มเหลวต่ำ นอกจากนี้ ควรเลือกใช้อุปกรณ์ที่มีความชันของสัญญาณค่อนข้างช้าเพื่อลดส่วนความถี่สูงที่เกิดจากสัญญาณ การใช้อุปกรณ์แบบติดตั้งบนผิวหน้า (SMD) สามารถลดความยาวของลายวงจร ทำให้ค่าความต้านทานเชิงซ้อนลดลงและปรับปรุงสมรรถนะด้าน EMC ได้
ข.ควรจัดวางคอมโพเนนต์ตามการจัดประเภทเดียวกัน คอมโพเนนต์ที่ไม่เข้ากันควรถูกจัดวางแยกจากกันเพื่อให้มั่นใจว่าคอมโพเนนต์จะไม่รบกวนกันและกันในเชิงพื้นที่
ค.ชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเกิน 15 กรัมไม่ควรผ่านกระบวนการบัดกรีจนกว่าจะได้รับการยึดด้วยตัวยึดรองรับเรียบร้อยแล้ว ชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่และหนักและก่อให้เกิดความร้อนสูงไม่ควรถูกประกอบบนบอร์ด แต่ควรถูกประกอบบนแผ่นด้านล่างของกล่องสำเร็จรูปแทน นอกจากนี้ ต้องรับประกันการระบายความร้อนให้เพียงพอ และชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนควรอยู่ห่างจากชิ้นส่วนที่ก่อให้เกิดความร้อน
ง.เมื่อพูดถึงอุปกรณ์ที่ปรับค่าได้ เช่น โพเทนชิโอมิเตอร์ ขดลวดเหนี่ยวนำปรับค่าได้ ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ และไมโครสวิตช์ จำเป็นต้องคำนึงถึงข้อกำหนดด้านโครงสร้างของทั้งระบบ อุปกรณ์เหล่านี้ควรถูกติดตั้งบนแผงวงจรหากต้องการปรับจากภายใน ในขณะที่หากต้องการปรับจากภายนอก ก็ควรติดตั้งในตำแหน่งที่สอดคล้องกับแผงเครื่องจักร
• การออกแบบการกำหนดเส้นทาง
กฎการกำหนดเส้นทางทั่วไปเป็นไปตามลำดับต่อไปนี้:
นอกเหนือจากกฎการกำหนดเส้นทางทั่วไปนั้น ยังมีรายละเอียดบางอย่างที่ไม่ควรมองข้าม:
a.เพื่อให้การรบกวนจากรังสีมีค่าน้อยที่สุด ควรเลือกใช้แผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (multi-layer PCB) โดยกำหนดให้ชั้นด้านในเป็นเพลนจ่ายไฟ (power plane) และเพลนกราวด์ (ground plane) เพื่อให้สามารถลดอิมพีแดนซ์ของวงจรจ่ายไฟ และหยุดสัญญาณรบกวนอิมพีแดนซ์สาธารณะได้ พร้อมทั้งสร้างเพลนกราวด์ที่สม่ำเสมอสำหรับสายสัญญาณ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการหยุดการแผ่รังสีด้วยการปรับปรุงค่าคาปาซิแตนซ์แบบกระจายระหว่างสายสัญญาณกับเพลนกราวด์ หมายเหตุการออกแบบเพิ่มเติมสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นได้อธิบายไว้ในหัวข้อ “PCB Layer and EMC Design” ด้านล่าง
ข.ควรรักษาค่าความอิมพีแดนซ์ให้ต่ำสำหรับสัญญาณความถี่สูงผ่านทางสายไฟ สายกราวด์ และลายวงจรบนแผงวงจรพิมพ์ เมื่อความถี่สูงมาก สายไฟ สายกราวด์ และลายวงจรบนแผงวงจรพิมพ์ทั้งหมดจะกลายเป็นเสาอากาศขนาดเล็กที่ทำหน้าที่รับและส่งสัญญาณรบกวน เพื่อจัดการกับสัญญาณรบกวนดังกล่าว เมื่อเปรียบเทียบกับการเพิ่มตัวเก็บประจุกรองแล้ว การลดค่าความอิมพีแดนซ์ความถี่สูงของสายไฟ สายกราวด์ และลายวงจรบนแผงวงจรพิมพ์มีความสำคัญมากกว่า ดังนั้นลายวงจรบนแผงวงจรพิมพ์ควรมีความสั้น หนา และจัดวางอย่างสม่ำเสมอ
ค.ควรจัดวางสายไฟ สายกราวด์ และลายวงจรพิมพ์ให้เหมาะสมเพื่อให้มีความสั้นและตรงมากที่สุด เพื่อลดพื้นที่ลูปที่เกิดจากสายสัญญาณและสายส่งกลับ
d.ตัวสร้างสัญญาณนาฬิกาควรอยู่ใกล้อุปกรณ์สัญญาณนาฬิกาให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
e.เปลือกของออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ควรเชื่อมต่อกับกราวด์
f.โดเมนสัญญาณนาฬิกาควรถูกล้อมรอบด้วยเส้นกราวด์ และเส้นสัญญาณนาฬิกาควรมีความสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
g.ควรใช้เส้นหักมุมที่มีมุม 45° แทน 90° สำหรับแผงวงจรเพื่อช่วยลดการส่งผ่านและการคัปปลิงของสัญญาณความถี่สูง
h.การเชื่อมต่อแบบจุดเดียวกับไฟเลี้ยงและการเชื่อมต่อแบบจุดเดียวกับกราวด์ควรถูกนำมาใช้บนแผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียวและแผ่นวงจรพิมพ์สองชั้น ทั้งสายไฟเลี้ยงและสายกราวด์ควรมีความหนามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
i.วงจรขับสัญญาณ I/O ควรอยู่ใกล้กับคอนเน็กเตอร์ที่ขอบแผงวงจร
j.ควรทำให้เส้นหลักมีความหนา และเพิ่มกราวด์ป้องกันทั้งสองด้าน เส้นความเร็วสูงควรมีความสั้นและตรง
k.ขาของอุปกรณ์ควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งมีประสิทธิผลเป็นพิเศษสำหรับตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง โดยควรใช้ตัวเก็บประจุแบบติดตั้งที่ไม่มีขา
l.เมื่อพูดถึงส่วนประกอบ A/D เส้นกราวด์ในส่วนดิจิทัลและส่วนอนาล็อกต้องไม่ตัดกัน
ม.สัญญาณนาฬิกา บัส และชิปเลือกควรอยู่ห่างจากสายสัญญาณ I/O และขั้วต่อ
น.สายอินพุตแรงดันอนาล็อกและขั้วแรงดันอ้างอิงควรอยู่ห่างจากสายสัญญาณวงจรดิจิทัล โดยเฉพาะสัญญาณนาฬิกา
o.สัญญาณรบกวนจะน้อยลงเมื่อเส้นสัญญาณนาฬิกาวางตั้งฉากกับเส้น I/O มากกว่าการวางขนานกับเส้น I/O นอกจากนี้ ขาของอุปกรณ์สัญญาณนาฬิกาควรอยู่ห่างจากสายเคเบิล I/O
หน้า.ไม่ควรวางลายวงจรไว้ใต้คริสตัลควอตซ์หรืออุปกรณ์ที่ไวต่อสัญญาณรบกวน
q.ไม่ควรสร้างลูปกระแสไฟฟ้าปัจจุบันรอบวงจรสัญญาณอ่อนหรือวงจรความถี่ต่ำ
r.สัญญาณใด ๆ ไม่ควรทำให้เกิดลูปขึ้น หากจำเป็นต้องจัดให้มีลูป ควรทำให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• การติดตามเส้นทาง
a.ควรจัดวางเลย์เอาต์แบบขนานบนสัญญาณกระแสที่มีเอาต์พุตเดียวกันแต่ทิศทางตรงข้ามกันเพื่อขจัดการรบกวนทางแม่เหล็ก
ข.ควรลดความไม่ต่อเนื่องของลายวงจรพิมพ์ให้น้อยที่สุด เช่น ความกว้างของลายวงจรไม่ควรเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน โดยให้มุมของลายวงจรมีค่ามากกว่า 90°
ค.EMI มักถูกสร้างขึ้นมากที่สุดโดยสายสัญญาณนาฬิกา และสายสัญญาณนาฬิกาควรอยู่ใกล้กับลูปกราวด์ในกระบวนการเดินลายวงจร
ง.คนขับบัสควรอยู่ถัดจากบัสที่จะขับ เมื่อพูดถึงสายไฟที่อยู่ห่างจากแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ไดรเวอร์ควรถูกวางไว้ใกล้กับขั้วต่อ
e.เนื่องจากสายสัญญาณของสายนำสัญญาณนาฬิกา ไดรเวอร์แถว หรือไดรเวอร์บัส มักจะมีกระแสทรานเชียนต์ขนาดใหญ่ ลายวงจรพิมพ์จึงควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับอุปกรณ์แยกเดี่ยว ความกว้างของลายวงจรพิมพ์สามารถมีได้ประมาณ 1.5 มม. อย่างไรก็ตาม สำหรับวงจรรวม (IC) ความกว้างของลายวงจรพิมพ์ควรอยู่ระหว่าง 0.2 มม. ถึง 1.0 มม.
ฉ.ควรหลีกเลี่ยงการใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงพื้นที่กว้างรอบอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนหรือขั้วต่อที่มีกระแสไฟฟ้าสูงไหลผ่าน มิฉะนั้นอาจทำให้เกิดปัญหาเช่นการพองตัวหรือการหลุดลอกของแผ่นฟอยล์ทองแดงได้ หากผลิตภัณฑ์อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนเป็นเวลานาน หากจำเป็นต้องใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงพื้นที่กว้าง ควรใช้เป็นลายตะแกรง ซึ่งจะช่วยระบายก๊าซที่เกิดจากการยึดติดด้วยความร้อนระหว่างแผ่นฟอยล์ทองแดงกับวัสดุฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
g.รูเปิดที่กึ่งกลางแผ่นรองควรมีขนาดใหญ่กว่าขาของอุปกรณ์อย่างเหมาะสม หากแผ่นรองมีขนาดใหญ่เกินไปมักจะทำให้เกิดการบัดกรีแห้ง
• การออกแบบพลังงาน
การออกแบบพลังงานที่ไม่เหมาะสมทำให้เกิดสัญญาณรบกวนจำนวนมาก ซึ่งท้ายที่สุดจะลดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ปัจจัยหลักสองประการที่ทำให้พลังงานไม่เสถียร ได้แก่
#1: ในสภาวะการสวิตช์ความเร็วสูง กระแสแลกเปลี่ยนชั่วขณะมีค่ามากเกินไป;
#2: มีความเหนี่ยวนำบนเส้นทางกลับของกระแสไฟฟ้า
ดังนั้น ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ควรคำนึงถึงความสมบูรณ์ของกำลังไฟอย่างรอบด้าน นอกจากนี้ยังควรยึดถือกฎต่อไปนี้ด้วย
a. การออกแบบการกรองแยกพลังงาน
การเชื่อมต่อคาปาซิเตอร์สำหรับการดีคัปปลิงที่มีค่าความจุไฟฟ้าตั้งแต่ 0.01μF ถึง 0.1μF เข้ากับขั้วทั้งสองของแหล่งจ่ายไฟชิป IC สามารถลดสัญญาณรบกวนและกระแสกระชากบนบอร์ดได้อย่างมาก เมื่อมีการชดเชยกระแสเรียบร้อยแล้ว ค่าความจุไฟฟ้าของคาปาซิเตอร์สำหรับการดีคัปปลิงยิ่งต่ำยิ่งดี ควรใช้คาปาซิเตอร์แบบติดตั้งบนแผงวงจรให้เหมาะสมที่สุดเนื่องจากมีค่าความเหนี่ยวนำของลวดนำต่ำ
วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการกรองกำลังไฟอยู่ที่การจัดวางฟิลเตอร์บนสายจ่ายไฟ AC เพื่อป้องกันไม่ให้สายไฟเกิดการคัปปลิงซึ่งกันและกันหรือเกิดลูป สายอินพุตและเอาต์พุตของฟิลเตอร์ควรถูกจัดวางให้เข้าสู่แผงวงจรจากคนละด้าน และความยาวของสายควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
b. การออกแบบการป้องกันพลังงาน
การออกแบบการป้องกันด้านพลังงานครอบคลุมการป้องกันกระแสเกิน การเตือนแรงดันตก การเริ่มต้นแบบนุ่มนวล และการป้องกันแรงดันเกิน การป้องกันกระแสเกินสามารถทำได้ในส่วนจ่ายไฟของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ผ่านการใช้ฟิวส์ เพื่อป้องกันไม่ให้ฟิวส์ส่งผลกระทบต่อโมดูลอื่น ๆ ในระหว่างกระบวนการหลอมละลาย ควรออกแบบแรงดันไฟฟ้าขาเข้าให้สามารถคงค่าความจุได้ เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันเกินสร้างความเสียหายต่อชิ้นส่วนโดยไม่ตั้งใจ ควรกำหนดศักย์ไฟฟ้าให้เท่ากันระหว่างสายจ่ายไฟและศักย์กราวด์ผ่านอุปกรณ์ป้องกัน เช่น หลอดระบายประจุ (discharge tube) และวาริสเตอร์ (varistor) เพื่อให้บรรลุการป้องกันแรงดันเกิน
• การออกแบบพื้น
สำหรับอุปกรณ์ที่มีศักย์ไฟฟ้าเทียบเท่ากับจุดอ้างอิงศักย์ไฟฟ้า สายดินจะมีลักษณะศักย์ไฟฟ้าไม่คงที่ อาจสังเกตเห็นความแตกต่างค่อนข้างมากเมื่อใช้มิเตอร์วัดศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดต่าง ๆ บนสายดิน ซึ่งท้ายที่สุดจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนเมื่อวงจรทำงาน
สาเหตุหลักของ EMI ที่เกิดจากสายกราวด์อยู่ที่อิมพีแดนซ์บนสายกราวด์ เมื่อมีกระแสไหลผ่านสายกราวด์ จะเกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้น ซึ่งแท้จริงแล้วคือสัญญาณรบกวนบนกราวด์ ภายใต้การขับเคลื่อนของแรงดันไฟฟ้านี้ จะทำให้เกิดกระแสลูปบนสายกราวด์ ซึ่งต่อมาจะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนจากกราวด์ลูป หากวงจรสองวงใช้สายกราวด์เส้นเดียวกันร่วมกัน จะเกิดการคัปปลิงแบบอิมพีแดนซ์ร่วม
วิธีการแก้ปัญหาสัญญาณรบกวนจากกราวด์ลูปประกอบด้วยการตัดกราวด์ลูป การเพิ่มอิมพีแดนซ์ของกราวด์ลูป และการใช้วงจรแบบบาลานซ์ วิธีการกำจัดการคัปปลิงผ่านอิมพีแดนซ์ร่วมคือการลดอิมพีแดนซ์บนสายกราวด์ร่วม หรือการต่อกราวด์แบบจุดเดียวขนาน กฎเฉพาะเกี่ยวกับการออกแบบสายกราวด์มีดังต่อไปนี้
a. การแยกกราวด์ดิจิทัลออกจากกราวด์อนาล็อก
หากมีทั้งวงจรแอนะล็อกและวงจรเชิงเส้นอยู่บนแผงวงจร ควรแยกออกจากกัน วงจรความถี่ต่ำควรใช้การต่อลงกราวด์แบบขนานจุดเดียวเป็นหลัก เมื่อเกิดปัญหาในกระบวนการเดินลายวงจรจริง สามารถใช้การต่อลงกราวด์แบบอนุกรมบางส่วนก่อนการต่อลงกราวด์แบบขนานได้ วงจรความถี่สูงมักใช้การต่อลงกราวด์แบบอนุกรมหลายจุด และสายกราวด์ควรมีความสั้นและหนา ควรใช้ฟอยล์ทองแดงลายตารางล้อมรอบอุปกรณ์ความถี่สูงในปริมาณมาก
b. สายกราวด์ควรมีความหนามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
สายกราวด์ควรมีความหนามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้กระแสที่มีค่ามากกว่ากระแสที่อนุญาตให้ผ่านบนแผ่น PCB ได้ถึงสองเท้าสามารถไหลผ่านได้ ช่วยเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวน หากมีการเททองแดงเพื่อทำสายกราวด์ ควรหลีกเลี่ยงการเกิดทองแดงลอย นอกจากนี้ ทองแดงที่มีหน้าที่คล้ายกันควรเชื่อมต่อถึงกันด้วยลายวงจรที่มีความหนา เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของสายกราวด์และช่วยลดสัญญาณรบกวน
c. วงจรปิดแบบลูปที่เกิดจากสายดิน
สำหรับแผงวงจรที่มีเพียงวงจรดิจิทัลเท่านั้น สามารถเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้โดยการออกแบบวงจรกราวด์ให้เป็นลูปวงกลม
• จำนวนเลเยอร์ PCB ที่เหมาะสม
ในแง่ของจำนวนชั้นแผงวงจรพิมพ์ชั้นเดียว แผงวงจรพิมพ์สองชั้น และแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น.
a.แผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียวและแผ่นวงจรพิมพ์สองชั้นเหมาะสำหรับการเดินลายวงจรความหนาแน่นปานกลาง/ต่ำหรือวงจรที่มีความซับซ้อนไม่สูงนัก โดยพิจารณาจากต้นทุนการผลิต ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่มักใช้แผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียวหรือแผ่นวงจรพิมพ์สองชั้น อย่างไรก็ตาม แผ่นวงจรทั้งสองประเภทนี้ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จำนวนมากเนื่องจากข้อบกพร่องของโครงสร้าง และยังไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอกอีกด้วย
ข.แผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multi-layer PCB) มักถูกนำมาใช้มากกว่าในงานที่ต้องการการเดินลายวงจรความหนาแน่นสูงและวงจรรวมที่ต้องการความสมบูรณ์ของสัญญาณสูง ดังนั้น เมื่อความถี่ของสัญญาณสูงและมีการจัดวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างหนาแน่น ควรเลือกใช้แผ่นวงจรพิมพ์อย่างน้อย 4 ชั้น ในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น ควรจัดวางระนาบจ่ายไฟ (power plane) และระนาบกราวด์ (ground plane) โดยเฉพาะ พร้อมทั้งลดระยะห่างระหว่างเส้นสัญญาณกับเส้นกราวด์ลง ส่งผลให้สามารถลดพื้นที่ลูปของสัญญาณทั้งหมดได้อย่างมาก จากมุมมองของ EMC แผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นสามารถช่วยลดการแผ่รังสีและเพิ่มความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ชั้นเดียว
แผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียวมักทำงานที่ความถี่ต่ำระดับหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ เนื่องจากเงื่อนไขการออกแบบจำนวนมากสำหรับความถี่สูงถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดของความถี่ต่ำ เช่น การขาดเส้นทางกลับของวงจร RF และเงื่อนไขการควบคุมที่ต้องการการปิดลูปอย่างสมบูรณ์ ผลสกินเอฟเฟกต์ของลายวงจรที่เห็นได้ชัด หรือปัญหาเสาอากาศแม่เหล็กและลูปที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น แผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียวจึงมีแนวโน้มไวต่อสัญญาณรบกวน RF เช่น ไฟฟ้าสถิต พัลส์เร็ว การแผ่รังสี หรือ RF แบบนำสัญญาณ ในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ชั้นเดียว จะไม่คำนึงถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณและการแมตช์ที่ปลายสาย ขั้นแรกคือการออกแบบสายไฟและสายกราวด์ จากนั้นจึงออกแบบสัญญาณที่มีความ
