เทคนิคการเดินลาย PCB ความเร็วสูงเพื่อลดอิทธิพลของ EMI

เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ทำให้ความเร็วขอบสัญญาณของอุปกรณ์เพิ่มสูงขึ้น การปรับปรุงความเร็วการทำงานของวงจรทำให้เกิดความต้องการที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ ต่อการออกแบบ PCB คุณภาพของการออกแบบ PCB ถึงขั้นสามารถกำหนดประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์และวงจรทั้งหมดได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาร่วมกันทั้งต้นทุน พื้นที่ของ PCB และฟังก์ชันการทำงานของวงจรที่ซับซ้อน แหล่งกำเนิด EMI (Electromagnetic Interference) จึงมีความหลากหลายมากขึ้นพร้อมกลไกที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

กลไก EMI และแนวทางแก้ไข

องค์ประกอบหลักของ EMI ประกอบด้วย แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เส้นทางการส่งผ่าน และวัตถุที่ถูกรบกวน เมื่อระบุองค์ประกอบที่นำไปสู่การเกิด EMI ได้แล้ว จำเป็นต้องกำหนดว่าองค์ประกอบใดที่สามารถแก้ไขได้ง่าย และองค์ประกอบใดที่สามารถแก้ไขได้เพียงบางส่วนในกระบวนการออกแบบ PCB เพื่อให้สามารถนำมาพิจารณาในกระบวนการจัดวางเลย์เอาต์ การเดินลายวงจร และการต่อลงกราวด์

• เลย์เอาต์

ในด้านของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ควรแบ่งพื้นที่ออกตามหน้าที่การใช้งานที่แตกต่างกัน โดยหน้าที่การใช้งานที่แตกต่างกันจะถูกจัดสรรให้อยู่ในพื้นที่ที่ต่างกัน และต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับหน่วยงานที่มีความอ่อนไหวในพื้นที่การใช้งานต่าง ๆ

โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องปฏิบัติตามหลักการต่อไปนี้สำหรับการออกแบบเลย์เอาต์ PCB:

a.ในวงจรความเร็วสูง จำเป็นต้องพิจารณาพารามิเตอร์ของการกระจายขาของอุปกรณ์ และค่าความจุแบบกระจายของขาอุปกรณ์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะสำหรับสัญญาณนาฬิกาความเร็วสูง ขณะเดียวกัน ค่าความเหนี่ยวนำแบบกระจายก็ต้องถูกนำมาพิจารณาอ้างอิงด้วย เนื่องจากอาจทำให้เกิดการออสซิลเลชันของสัญญาณ ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวในการทำงานของวงจร ดังนั้น ในกระบวนการจัดวางเลย์เอาต์ การกระจายตัวของอุปกรณ์จึงต้องถูกจัดให้มีความหนาแน่นสูง พร้อมทั้งลดความยาวลายต่อสำหรับการเดินลายในอนาคต และลดผลกระทบของ EMI

ข.หากทั้งส่วนประกอบแบบแอนะล็อกและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ยังคงอยู่ในวงจร จะต้องถูกจัดวางแยกจากกันอย่างอิสระในกระบวนการออกแบบเลย์เอาต์ เนื่องจากสัญญาณของส่วนประกอบดิจิทัลมีองค์ประกอบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยฮาร์มอนิกหลายตัว จึงก่อให้เกิดอิทธิพลอย่างมากต่อสัญญาณแอนะล็อก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ

ค.หน่วยสัญญาณนาฬิกามีความสำคัญอย่างยิ่งในวงจรความเร็วสูง กลไกการทำงานของหน่วยสัญญาณนาฬิกานั้นแท้จริงแล้วเทียบได้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน ซึ่งหมายความว่าหน่วยนี้จะเกิดการออสซิลเลตเมื่อมีเงื่อนไขบางอย่างครบถ้วน ในฐานะแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนด้านการนำไฟฟ้าและการแผ่รังสีที่สำคัญ หน่วยสัญญาณนาฬิกาจึงไม่ควรถูกวางไว้ที่ขอบของแผ่น PCB มิฉะนั้น EMI จะรุนแรงมาก จำเป็นต้องวางหน่วยสัญญาณนาฬิกาไว้บริเวณกึ่งกลางของแผ่น PCB ซึ่งสามารถลด EMI ในวงจรได้อย่างมาก

• การกำหนดเส้นทาง

ในระหว่างกระบวนการการเดินลายวงจร PCBภายใต้เงื่อนไขที่มีต้นทุนต่ำ สามารถขยายระนาบกราวด์ให้ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อช่วยลดผลกระทบของ EMI อย่างไรก็ตาม ในเงื่อนไขที่ต้องควบคุมต้นทุนอย่างเข้มงวด จำเป็นต้องพิจารณาจำนวนเลเยอร์ของ PCB และลำดับการซ้อนเลเยอร์อย่างรอบคอบ นอกจากนี้ยังต้องคำนึงถึงประเภทของสัญญาณ และต้องจัดลายวงจรแยกกันระหว่างสัญญาณความเร็วสูงและสัญญาณความเร็วต่ำ อีกทั้งยังต้องพิจารณาปัจจัยอื่น ๆ เช่น แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนและวิธีการเพิ่มความสามารถในการยับยั้งสัญญาณรบกวน ประเด็นเรื่องการแมตช์อิมพีแดนซ์ (สัญญาณความเร็วสูงที่ไม่มีการแมตช์อย่างเหมาะสมจะทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณและลดความน่าเชื่อถือของวงจรอย่างแน่นอน) และเน็ตลิสต์

a. หลักการพื้นฐานของการกำหนดเส้นทาง

หลักการทั่วไปที่ปฏิบัติตามในการกำหนดเส้นทาง ได้แก่:

1).ควรหลีกเลี่ยงจุดเปลี่ยนทิศทาง (breakpoints) ในการเดินสาย ซึ่งหมายความว่าควรหลีกเลี่ยงมุมฉาก ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง

เนื่องจากมุมฉากอาจทำให้เกิดการสะท้อน จึงควรออกแบบจุดเปลี่ยนความโค้งให้ราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์นี้ ในขณะเดียวกัน สัญญาณสำคัญต้องไม่อยู่เกินกว่าบริเวณที่แบ่งไว้ มิฉะนั้น EMI จะเพิ่มขึ้นทันที การข้ามสัญญาณที่พบบ่อยที่สุดคือการข้ามบริเวณที่แบ่งแหล่งจ่ายไฟต่างกัน

2).ในกระบวนการจัดวางเลย์เอาต์ จำเป็นต้องแยกส่วนประกอบแอนะล็อกและส่วนประกอบดิจิทัลออกจากกัน ซึ่งหมายความว่าควรแยกเส้นลายวงจรของทั้งสองส่วนออกจากกันไปด้วย พร้อมกันนี้ควรเพิ่มความกว้างของสายกราวด์และสายไฟ โดยมีกฎทั่วไปคือ ความกว้างของสายกราวด์ต้องมากกว่าสายไฟ และสายไฟต้องกว้างกว่าสายสัญญาณ นอกจากนี้ ควรพิจารณาหลักการ 3W อย่างรอบคอบในการวางลายสายสัญญาณ ในขณะที่สำหรับบอร์ดหลายชั้น ควรพิจารณาหลักการ 20H ในเลเยอร์ภายใน การทำงานข้างต้นให้สมบูรณ์สามารถหลีกเลี่ยง EMI ได้ถึง 70% สำหรับสายสัญญาณแอนะล็อกที่มีความไวสูง สามารถใช้มาตรการต่าง ๆ เช่น การต่อกราวด์ เป็นต้น

3).สำหรับการเดินสาย USB2.0 หรือสายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลความเร็วสูงอื่น ๆ ควรใช้การเดินสายแบบคัปปลิง และต้องรับประกันความสมบูรณ์ของพื้นผิวอ้างอิงระหว่างคู่ดิฟเฟอเรนเชียล เนื่องจากคู่ดิฟเฟอเรนเชียลโดยทั่วไปเป็นสัญญาณความเร็วสูง จึงไม่ควรจัดให้มีการเดินสายไว้ที่ขอบของ PCB

b. ลูป

ไม่สามารถหลีกเลี่ยงลูปได้ในการออกแบบ PCB ลูปจะเกิดจากสัญญาณที่ไหลออกไปและไหลกลับเข้ามา และลูปแต่ละลูปจะทำหน้าที่เสมือนเป็นเสาอากาศในด้านการทำงาน เพื่อลด EMI ใน PCB ทั้งจำนวนลูปและความสามารถในการเป็นเสาอากาศของลูปควรถูกลดลง ซึ่งหมายความว่าทิศทางการไหลของสัญญาณแต่ละสัญญาณจะต้องได้รับการพิจารณาในการออกแบบ PCB และพื้นที่ลูปจะต้องถูกลดลงสำหรับสัญญาณความเร็วสูง

ในวงจร ลูปที่ใช้กันบ่อยที่สุดมักอยู่ในลูปกำลังไฟที่ถูกจำกัดด้วยตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง ดังแสดงในรูปที่ 2

หากตัวเก็บประจุแยกถูกวางไว้ตามแผนภาพด้านซ้ายในรูปที่ 2 จะเกิดลูปกระแสไฟฟ้าขนาดค่อนข้างใหญ่ซึ่งทำให้เกิดปรากฏการณ์ EMI อย่างชัดเจน ตรงกันข้าม ในแผนภาพด้านขวาของรูปที่ 2 ซึ่งตัวเก็บประจุแยกถูกวางไว้ใกล้กับชิปมาก จะเกิดลูปแยกขนาดเล็กมากขึ้นมา โดยมีหน้าที่หลักในการลด EMI หลักการที่ควรปฏิบัติตามเพื่อช่วยลดลูปมีดังนี้:

1).รับประกันว่ามีเพียงเส้นทางเดียวระหว่างสองจุดบนแต่ละสายสัญญาณ

2). ควรใช้กราวด์เพลนโดยต้องมั่นใจว่าไม่มีการบล็อกในลูปสัญญาณ

c. สายกราวด์ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

1). ควรอธิบายความแตกต่างระหว่างกราวด์ดิจิทัล กราวด์อนาล็อก และกราวด์ชิลด์ของระบบในระบบการต่อลงกราวด์ของ PCB โดยใช้ลูกปัดแม่เหล็กและตัวเก็บประจุในการแยกกราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อก และกราวด์ดิจิทัลกับกราวด์ภาคสนามควรเชื่อมต่อกันโดยตรง
2).หากเป็นไปได้ ควรขยายความกว้างของสายกราวด์บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
3).สร้างวงจรปิดโดยสายดินเพื่อเสริมสร้างความสามารถในการป้องกันการรบกวนและลดความแตกต่างของระดับไฟฟ้าระหว่างระบบ

• การออกแบบฟิลเตอร์

ในแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง สามารถดำเนินการประมวลผลการกรองบนสายไฟและสายสัญญาณได้ มาตรการที่ใช้กันทั่วไปได้แก่ การเพิ่มส่วนประกอบตัวกรองแม่เหล็ก ตัวกรอง EMI และตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง

a. การเลือกตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง

1).ในวงจร ตัวเก็บประจุแยกสัญญาณ (decoupling capacitor) ช่วยให้พลังงานราบรื่นและเพิ่มความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวน โดยทั่วไปจะเลือกใช้ตัวเก็บประจุเซรามิกเป็นตัวเก็บประจุแยกสัญญาณ เนื่องจากมีความเสถียรสูง ความแม่นยำสูง ขนาดเล็ก และมีค่า ESR (Equivalent Series Resistance) ต่ำ ในการออกแบบวงจร ค่าความจุของตัวเก็บประจุจะถูกเลือกให้อยู่ในช่วงตั้งแต่ 1μF ถึง 100μF ในขณะที่ความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าจะต้องพิจารณาตามลักษณะของวงจร
2).ตัวเก็บประจุแยกสัญญาณต้องถูกวางไว้ใกล้กับชิ้นส่วนให้มากที่สุด

b. การเลือกใช้องค์ประกอบแม่เหล็ก

ส่วนประกอบแม่เหล็กสามารถจำแนกออกเป็นตัวเหนี่ยวนำและลูกปัดแม่เหล็ก โดยทั่วไป ตัวเหนี่ยวนำจะถูกเลือกใช้ที่ปลายด้านจ่ายไฟ ในขณะที่ลูกปัดแม่เหล็กจะอยู่ระหว่างสายสัญญาณ ในกระบวนการของการเลือกส่วนประกอบจำเป็นต้องคำนึงถึงพารามิเตอร์ของการอิ่มตัวด้วย เมื่อชิ้นส่วนแม่เหล็กเข้าสู่สภาวะอิ่มตัวแล้ว ชิ้นส่วนเหล่านั้นจะไหม้เสียหายได้ นอกจากนี้ ยังต้องพิจารณาทั้งคุณภาพและพารามิเตอร์ DCR ของชิ้นส่วนแม่เหล็กด้วย

มาตรการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสายสัญญาณคือการใช้ลูกปัดแม่เหล็กบนสายอนุกรมเพื่อเสริมความสามารถในการป้องกัน EMI

c. การเลือกใช้ตัวกรอง EMI

บริเวณที่มีสัญญาณรบกวนโหมดร่วมรุนแรงมักอยู่ในตำแหน่งที่มีสายไฟเข้าและสายสัญญาณออก มาตรการทั่วไปในการหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนโหมดร่วมได้แก่ การเพิ่มตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วม ตัวต้านทานเพียโซ วงจร LC และฟิลเตอร์ EMI แบบเฉพาะเจาะจง ในวงจรความเร็วสูง จำเป็นต้องพิจารณาปัญหา EMI สำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูงบนอินเทอร์เฟซดิจิทัล เช่น USB และ HDMI

• การสะท้อนสัญญาณ

ในการส่งสัญญาณ พลังงานที่ขั้วต้นทางจะคาดหวังให้ถูกส่งไปยังขั้วโหลดเสมอ ซึ่งหมายความว่า ZL ควรมีค่าเท่ากับ ZO หากค่าทั้งสองไม่เท่ากัน พลังงานบางส่วนจะสะท้อนกลับ

หากความล่าช้าในการส่งสัญญาณของสายมีค่อนข้างมาก สัญญาณที่แรงกว่าจะสะท้อนกลับไปยังต้นทาง จากนั้นจำเป็นต้องปรับค่าชดเชยในปริมาณที่ค่อนข้างมากเมื่อมีการเกิดเสียงกริ่ง ดังแสดงในรูปที่ 5 ด้านล่าง

เมื่อเกิดการสั่น (ringing) ขึ้นที่สัญญาณ EMI จะรุนแรงถึงระดับสูงสุด เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์ดังกล่าวในการออกแบบ PCB โปรดปฏิบัติตามหลักการในตารางที่ 1

การทดสอบ EMI

หลังจากการออกแบบผลิตภัณฑ์ แม้ว่าจะมีมาตรการมากมายเพื่อหลีกเลี่ยง EMI แต่ปัญหาก็มักจะไม่ถูกพบจนกว่าจะถึงขั้นตอนการทดสอบ จากนั้นจึงสามารถทำการปรับแก้บางอย่างเพื่อแก้ไขปัญหาได้

การทดสอบ EMI รวมถึงวิธีการทดสอบ อุปกรณ์ และตำแหน่งการทดสอบ วิธีการทดสอบควรดำเนินการโดยอ้างอิงถึงรายการทั้งหมด หากอุปกรณ์ไม่สามารถเป็นไปตามมาตรฐานได้ สามารถใช้อุปกรณ์สเปกโตรมิเตอร์สำหรับการทดสอบเชิงคุณภาพได้ หากต้องการค่าการแผ่รบกวน EMI เฉพาะของอุปกรณ์ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ระดับมืออาชีพ สำหรับตำแหน่งการทดสอบ ควรทำการทดสอบในห้องมืดจะดีที่สุด

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•แนวทางการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ที่เป็นมิตรต่อวิศวกร ห้ามพลาด
•การวิจัยการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงในระบบประยุกต์แบบฝังตัว
•บทนำที่ครอบคลุมที่สุดเกี่ยวกับเครื่องมืออัตโนมัติด้าน EMI และ EMC
•5 เคล็ดลับการออกแบบวงจรยานยนต์เพื่อเอาชนะ EMI
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบวงจรจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมที่เพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น