ข้อควรคำนึงด้านการออกแบบสามประการเพื่อให้มั่นใจในความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์แล็ปท็อป

เมื่อพูดถึงแผงวงจรพิมพ์ของแล็ปท็อป โดยทั่วไปจะเลือกใช้แผงวงจรแบบ 6 ชั้นหรือ 8 ชั้น อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาจากต้นทุนแล้ว แผงวงจรแบบ 6 ชั้นถือเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับผู้ออกแบบ PCB น่าเสียดายที่การออกแบบ EMC (Electromagnetic Compatibility) สำหรับแผงวงจรแบบ 6 ชั้นได้กลายเป็นปัญหาที่คอยรบกวนผู้ออกแบบแผงวงจรอยู่เสมอ

การออกแบบพัฒนาคอมพิวเตอร์แบบพกพาเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมากจนจำเป็นต้องพิจารณาการออกแบบ EMC อย่างรอบคอบตั้งแต่ต้นจนจบ อันที่จริงแล้ว การบรรลุผลด้าน EMC ที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญสามประการ ซึ่งจะถูกนำเสนอและอธิบายอย่างละเอียดในบทความนี้

ข้อพิจารณาแรก: การออกแบบโครงการ

ระหว่างกระบวนการของแผงวงจรพิมพ์ของแล็ปท็อปในการออกแบบ ขั้นตอนแรกคือการออกแบบโครงร่าง (scheme design) กล่าวคือ ต้องกำหนดการจัดวางโดยรวมและการกระจายตัวในเชิงมหภาคของผลิตภัณฑ์ให้เรียบร้อยก่อนเริ่มการพัฒนาอย่างเป็นทางการ รวมถึงตำแหน่งชิปและตำแหน่งรู จากนั้นวิศวกร EMC จะทำการประเมิน EMC เพื่อปรับตำแหน่งชิปและข้อกำหนดของรูให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้าน EMC เช่น ตำแหน่งบริดจ์ ตำแหน่งชิปนาฬิกา และการลากลายวงจร สามารถร่างสเก็ตช์ PCB ของแล็ปท็อปขึ้นมาได้เพื่อช่วยให้การประเมิน EMC ทำได้ดียิ่งขึ้น

การประเมิน EMC ครอบคลุมประเด็นหลักดังต่อไปนี้:
•การติดตามตำแหน่งและการจัดวางเส้นทาง การจัดวางเส้นทางสายเชื่อมต่อระหว่างจอ LCD กับเมนบอร์ด หรือการจัดวางเส้นทางของขั้วต่อ FFC-FPC ควรได้รับการตรวจสอบ
•การตรวจสอบข้อจำกัดความสูงของ PCB สายสัญญาณความเร็วสูงต้องไม่ถูกจัดวางในพื้นที่ความสูงเป็นศูนย์ ซึ่งหมายถึงแผงวงจรรวมกับการจัดวางสภาพแวดล้อมโดยรอบ การจัดวางสภาพแวดล้อมโดยรอบประกอบด้วย HDD, ODD เป็นต้น
•การตรวจสอบพื้นที่การป้องกันสัญญาณรบกวนของโครงหุ้ม อนุกรมสัญญาณความเร็วสูงต้องไม่ถูกจัดวางในพื้นที่เปิดโล่งหรือพื้นที่ที่มีการแยกชั้นสัญญาณ เนื่องจากจะทำให้ประสิทธิภาพการป้องกันลดลง เช่น ตำแหน่งแป้นพิมพ์ ฝาครอบหน่วยความจำ เป็นต้น
•การตรวจสอบฝาครอบแล็ปท็อป รวมถึงฝาครอบฮาร์ดแวร์และฝาครอบหน่วยความจำ เพื่อให้จุดกราวด์สามารถเชื่อมต่อกับฉนวนป้องกันของตัวเครื่องได้ทุกระยะ 30 มม.
•การต่อลงกราวด์ของแผงวงจรขนาดเล็ก (PCB) ในการตรวจสอบแต่ละยูนิต - ต้องรับประกันให้มีการเชื่อมต่อที่สมบูรณ์แบบระหว่างแผงวงจรขนาดเล็กในแต่ละยูนิตกับกราวด์ผ่านทางสกรู เพื่อหลีกเลี่ยงอิมพีแดนซ์กราวด์ที่มีค่าสูงและป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนแผ่กระจายออกสู่บรรยากาศ
•ควรรักษาจุดกราวด์สำรองไว้สำหรับวงจรเฉพาะทางบางประเภทเพื่อให้มั่นใจถึงค่าความต้านทานกราวด์ที่ต่ำ
•การตรวจสอบบริเวณสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ ความไม่เสถียรของบริเวณแหล่งจ่ายไฟจะทำให้การออกแบบทั้งหมดล้มเหลว หรือทำให้ชิปทำงานห่างไกลจากสภาวะเสถียร โดยการจ่ายไฟที่ไม่เสถียรให้กับแต่ละชิปพร้อมกับสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น
•กฎข้อหนึ่งที่มีความสำคัญมากที่สุดคือการต้องยืนยันและตรวจสอบเลย์เอาต์ของชิปตัวนำบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และแนวทางการเดินลายวงจรของมัน

ข้อพิจารณาที่สอง: การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การออกแบบ PCB เป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในความพยายามด้าน EMC โดยที่การออกแบบ PCB ที่ยอดเยี่ยมเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นของการบรรลุผลลัพธ์ EMC ที่เหมาะสมที่สุด การออกแบบ PCB โดยไม่คำนึงถึง EMC อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้จะทำให้สิ้นเปลืองทั้งเงินและเวลา คำถามแรกที่การออกแบบ PCB ควรถามคือ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เกิดขึ้นได้อย่างไร และเหตุใดจึงถูกส่งผ่าน การออกแบบ PCB ที่เหมาะสมที่สุดจะไม่สามารถทำได้ เว้นแต่จะตอบทั้งสองคำถามนี้ได้อย่างถูกต้อง คำตอบสำหรับคำถามเหล่านั้นจะถูกกล่าวถึงในส่วนถัดไปของบทความนี้ อุดมคติกฎการออกแบบ PCBไปยัง: จำเป็นต้องพิจารณา EMC ตั้งแต่เริ่มต้นการออกแบบ และควรยึดหลักเหตุผลของการออกแบบ นอกจากนี้ ควรใช้เทคโนโลยีการติดตามที่มีต้นทุนต่ำให้มากที่สุด กฎการออกแบบโดยละเอียดสำหรับแผงวงจรพิมพ์ประกอบด้วย:
•ไม่สามารถวางสายสัญญาณความเร็วสูงไว้ใต้คอนเน็กเตอร์ได้ และวงจรจ่ายไฟควรอยู่ห่างจากคอนเน็กเตอร์
•ไม่สามารถวางสายสัญญาณความเร็วสูงไว้ที่ขอบของ PCB บนระนาบใด ๆ ได้ และระยะห่างระหว่างขอบบอร์ดกับสายสัญญาณเหล่านั้นควรมีอย่างน้อย 50 mils
•สายสัญญาณ USB, LAN และการ์ด PCI ควรอยู่ห่างจากสายสัญญาณความเร็วสูงให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หรือป้องกันด้วยสายกราวด์ นอกจากนี้ ควรออกแบบรูกราวด์อย่างเหมาะสม
•ควรวางสายสัญญาณความเร็วสูงไว้ในชั้นภายใน
•เนื่องจากไมโครโฟน/หูฟัง MIC เป็นวงจรอนาล็อก จึงควรถูกแยกออกจากวงจรอื่นให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
•สายสัญญาณนาฬิกาควรถูกจัดวางไว้ในเลเยอร์ภายในหลังจากออกมาจาก IC และควรถูกแยกออกจากสายสัญญาณที่อินเทอร์เฟซ I/O และลายวงจรอื่น ๆ สายสัญญาณนาฬิกาควรถูกจัดวางให้อยู่ใกล้ระนาบกราวด์อ้างอิงเพื่อให้สามารถปรับปรุงเอฟเฟกต์ภาพได้ นอกจากนี้ ควรมีการต่อเทอร์มินัล RC เมื่อรอยทางสัญญาณนาฬิกาทั้งหมดอยู่ใกล้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณนาฬิกา
•การจัดวางเลย์เอาต์ของไฟเลี้ยงและกราวด์ควรมีความกะทัดรัดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดปัญหาลูป ความกว้างของคูน้ำระหว่างไฟเลี้ยงคือ 15 mil โดยมีเพลนกราวด์ที่สมบูรณ์และไม่มีการลากลายทองแดง กราวด์แบบแยกส่วนควรถูกลดลง เนื่องจากการแยกมากเกินไปจะเพิ่มอิมพีแดนซ์ของกราวด์
•การใช้งานตัวเก็บประจุแยกส่วนอย่างเหมาะสมก็เป็นประเด็นสำคัญในงานออกแบบ PCB เช่นกัน ควรหลีกเลี่ยงไม่ให้สายสัญญาณความเร็วสูงวิ่งจากชั้นบนสุดทะลุไปยังชั้นล่างสุด และควรมีการวางรูกราวด์เพื่อช่วยลดอิมพีแดนซ์กราวด์ นอกจากนี้ ควรเพิ่มตัวเก็บประจุแยกส่วนที่ขา IC และในแต่ละชั้นจ่ายไฟ อย่างน้อยที่สุดควรเผื่อพื้นที่สำหรับวางตัวเก็บประจุแยกส่วนไว้ล่วงหน้า
•ควรเลือกใช้ชิ้นส่วนป้องกัน EMI ให้เหมาะสมตามการใช้งานและราคา

ข้อพิจารณาที่สาม: การตรวจสอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ก่อนอื่น แนวคิดหนึ่งที่ควรฝังอยู่ในใจของวิศวกรคือ ความอิมพีแดนซ์ในอากาศ (free space) ที่ความถี่สูงมีค่า 377 โอห์ม เมื่อพูดถึงการแผ่รังสีในอวกาศของ EMI ทั่วไป เนื่องจากลูปสัญญาณไปถึงระดับที่สามารถเทียบเท่ากับความอิมพีแดนซ์ของอวกาศได้ สัญญาณจึงถูกแผ่รังสีออกสู่อวกาศ เพื่อทำความเข้าใจประเด็นนี้ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องลดความอิมพีแดนซ์ของลูปสัญญาณลง

เพื่อควบคุมอิมพีแดนซ์ของลูปสัญญาณ วิธีหลักคือการลดความยาวของสัญญาณและทำให้พื้นที่ลูปเล็กลง นอกจากนี้ ควรใช้การต่อปลายสายที่เหมาะสมเพื่อควบคุมการสะท้อนในลูป ตามความเป็นจริงแล้ว วิธีหนึ่งในการควบคุมลูปสัญญาณคือการกราวด์สัญญาณสำคัญ เนื่องจากลายวงจรเองมีลักษณะเป็นอิมพีแดนซ์ที่ความถี่สูง จึงควรใช้กราวด์หรือลวดกราวด์เชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านรูทะลุหลาย ๆ จุด การออกแบบลักษณะนี้จำนวนมากประสบความสำเร็จในการหลีกเลี่ยงการแผ่รังสีเกินค่าที่กำหนดของสัญญาณนาฬิกา

นอกจากนี้ เพื่อหยุดไม่ให้สัญญาณผ่านบริเวณที่ถูกแบ่งแยก วิศวกรจำนวนมากจึงแบ่งกราวด์ตามสัญญาณ แต่กลับลืมคำนึงถึงสิ่งนี้ระหว่างกระบวนการลากลายวงจร ส่งผลให้ลูปของสัญญาณครอบคลุมพื้นที่กว้าง ทำให้ความยาวของลายวงจรเพิ่มขึ้น

เมื่อกล่าวถึงส่วนของการส่งผ่าน EMI สิ่งสำคัญคือการใช้งานตัวเก็บประจุบายพาสและตัวเก็บประจุเดคัปปลิงอย่างเหมาะสม ตัวเก็บประจุบายพาสจะต้องถูกจัดวางบนขาพาวเวอร์ของชิปและสายกราวด์ด้วยความยาวลายวงจรที่สั้นที่สุด ส่วนตัวเก็บประจุเดคัปปลิงควรถูกจัดวางในตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงความต้องการกระแสสูงที่สุด เพื่อหยุดสัญญาณรบกวนไม่ให้คัปปลิงมาจากสายไฟเลี้ยงและสายกราวด์อันเนื่องมาจากอิมพีแดนซ์ของลายวงจร แน่นอนว่าสนามแม่เหล็กสามารถใช้ดูดซับสัญญาณรบกวนได้ บางครั้งตัวเหนี่ยวนำก็สามารถใช้กรองสัญญาณรบกวนได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าตัวเหนี่ยวนำมีช่วงการตอบสนองความถี่ของตัวเอง และแพ็กเกจของมันก็เป็นตัวกำหนดการตอบสนองความถี่ด้วยเช่นกัน

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์:
•อิทธิพลของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB Layout) ต่อสมรรถนะ EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
•การออกแบบ EMC ของแผงวงจรพิมพ์ให้ประสบความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรก
•กฎการออกแบบการแบ่งส่วน PCB เพื่อปรับปรุง EMC
•บทนำที่ครอบคลุมที่สุดเกี่ยวกับเครื่องมืออัตโนมัติด้าน EMI และ EMC
•เทคนิคการประกอบแผงวงจรพิมพ์ของแล็ปท็อป
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นตั้งแต่ 1 ชิ้น