Zawsze zniechęcony zakłóceniami sygnału, słabym odprowadzaniem ciepła i niechlujnym prowadzeniem ścieżek podczas projektowania PCB? Właściwie, jeśli opanujesz podstawowe techniki, możesz z łatwością poradzić sobie ze wszystkimi wyzwaniami związanymi z układem! Dziś zebraliśmy 9 super praktycznych metod hybrydowego układu PCB, od rozmieszczenia komponentów po ekranowanie warstwy dolnej, wszystko to zawiera praktyczne informacje i żadnych zbędnych ozdób, pozwalając początkującym na szybki start!

I. Rozmieszczenie komponentów: Postępuj zgodnie z "Zasadami", aby prawidłowo umieszczać komponenty i unikać objazdów

Nieprawidłowe rozmieszczenie komponentów sprawi, że całe późniejsze prowadzenie ścieżek będzie bezużyteczne! Podczas układania komponentów, nie tylko powinieneś podążać za ścieżkami sygnału na schemacie i zostawić wystarczająco dużo miejsca na ścieżki, ale także musisz pamiętać o tych 5 zasadach:

• Zasilacze powinny być kompaktowo zgrupowane, z konstrukcjami odsprzęgającymi, aby zapewnić stabilne zasilanie;
• Kondensatory odsprzęgające powinny być umieszczone blisko komponentów, aby skrócić pętle prądowe i zmniejszyć szumy;
• Złącza powinny być umieszczone bezpośrednio na krawędzi płytki, aby ułatwić podłączenie urządzeń zewnętrznych bez zajmowania głównego obszaru;
• Komponenty wysokiej częstotliwości powinny być umieszczane ściśle zgodnie ze schematem, aby uniknąć zakłóceń sygnału;
• Procesory, generatory zegara, duże urządzenia pamięci masowej i inne "kluczowe komponenty" powinny być umieszczone w środku płytki, aby ułatwić połączenie z obwodami otaczającymi.

II. Moduły analogowe + cyfrowe: Oddzielny układ, brak zakłóceń
Sygnały analogowe i cyfrowe często są w konflikcie; współdzielenie obszarów może łatwo prowadzić do wzajemnych zakłóceń, co skutkuje słabą wydajnością obwodu! Właściwe podejście to całkowite oddzielenie tych dwóch. Kluczowe punkty są tutaj:

• Umieść precyzyjne komponenty (takie jak wzmacniacze i źródła napięcia odniesienia) na płaszczyźnie analogowej i przeznacz płaszczyznę cyfrową dla kontroli logiki, bloków czasowych i innych "komponentów o wysokim poziomie szumów";
• ADC (przetworniki analogowo-cyfrowe) i DAC (przetworniki cyfrowo-analogowe) obsługują sygnały mieszane, więc traktowanie ich jako komponentów analogowych jest bardziej niezawodne;
• Konstrukcje ADC/DAC o wysokim prądzie muszą mieć oddzielne zasilacze analogowe i cyfrowe (DVDD podłączone do sekcji cyfrowej, AVCC podłączone do sekcji analogowej);
• Mikroprocesory i mikrokontrolery generują znaczne ciepło, więc umieszczenie ich w środku płytki obwodu i blisko połączonych bloków obwodów spowoduje bardziej efektywne odprowadzanie ciepła.

III. Prowadzenie ścieżek: Wybierz najkrótszą i najprostszą ścieżkę, unikaj tych pułapek

Po umieszczeniu komponentów, prowadzenie ścieżek polega na "budowaniu kanałów sygnałowych". Pamiętaj o tych 8 zasadach, aby zapewnić płynniejszą transmisję sygnału:

• Im krótsza i prostsza ścieżka sygnału, tym lepiej, zmniejszając opóźnienia i zakłócenia;
• Płaszczyzna masy musi być umieszczona obok warstw sygnałowych o dużej prędkości, aby zapewnić normalny powrót sygnału;
• Obwody o dużej prędkości muszą być prowadzone ściśle zgodnie ze ścieżką sygnału na schemacie i nie mogą być dowolnie zmieniane;
• Używaj krótkich, prostych i szerokich ścieżek zasilania, aby zmniejszyć indukcyjność;
• Unikaj tworzenia ścieżek i przelotek w kształcie "anten", aby uniknąć dodatkowych zakłóceń;
• Utrzymuj izolację ścieżek obwodów cyfrowych i analogowych, bez krzyżowania się lub nakładania;
• Zwróć szczególną uwagę na ścieżki uziemiające łączące strefy cyfrowe i analogowe;
• Unikaj niepotrzebnych objazdów i przelotek w całym procesie, upraszczając ścieżkę, jednocześnie zmniejszając straty sygnału.

IV. Moduł zasilania: Zasilanie bliskie + konstrukcja izolacyjna – stabilność jest kluczowa

Zasilanie jest "sercem" obwodu; niewłaściwy układ może łatwo doprowadzić do całkowitej awarii. Istnieją dwa kluczowe punkty:

• Moduł zasilania musi być blisko komponentów zasilania, jednocześnie będąc odizolowanym od innych obwodów, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się szumów;
• W przypadku złożonych urządzeń z wieloma pinami zasilania, używaj dedykowanych modułów zasilania zarówno dla sekcji analogowych, jak i cyfrowych, aby całkowicie wyeliminować zakłócenia szumów cyfrowych z sygnałami analogowymi;
• Przewody zasilające powinny przestrzegać zasady "krótkie, proste, szerokie", aby zmniejszyć indukcyjność i ograniczenia prądowe, co skutkuje bardziej stabilnym zasilaniem.

V. Konstrukcja odsprzęgania: Tworzenie środowiska o niskim poziomie szumów w celu maksymalizacji wydajności urządzenia

Istotą odsprzęgania jest "filtrowanie szumów zasilania". Współczynnik odrzucania zasilania (PSRR) bezpośrednio określa wydajność urządzenia. Te 5 praktycznych metod jest niezbędnych:

• **Łączenie kondensatorów: Kondensatory ceramiczne o niskiej indukcyjności filtrują szumy o wysokiej częstotliwości, kondensatory elektrolityczne działają jako "zbiorniki ładunku" do filtrowania szumów o niskiej częstotliwości, a koraliki ferrytowe można wybrać w celu zwiększenia izolacji;
• **Umieść kondensatory odsprzęgające blisko pinów zasilania urządzenia i połącz je z płaszczyzną masy o niskiej impedancji za pomocą krótkich ścieżek lub przelotek, aby zmniejszyć indukcyjność szeregową;
• **Umieść małe kondensatory (0,01μF-0,1μF) obok pinów zasilania, aby zapobiec niestabilności urządzenia, gdy wiele wyjść przełącza się jednocześnie;
• **Utrzymuj kondensatory elektrolityczne (10μF-100μF) nie dalej niż 1 cal od pinów zasilania; zbyt duża odległość wpłynie na wydajność filtrowania;
• **Kondensatory odsprzęgające można podłączyć do płaszczyzny masy w kształcie litery T za pomocą przelotki obok pinu GND urządzenia, upraszczając proces bez dodatkowego okablowania.

VI. Warstwowanie PCB: Zaplanuj warstwy z wyprzedzeniem i zoptymalizuj ścieżki powrotne

Określ schemat warstwowania przed prowadzeniem ścieżek, w przeciwnym razie wpłynie to na ścieżkę powrotną sygnału. Różne numery warstw wymagają różnych rozważań projektowych:

• Wysokowydajne systemy akwizycji danych powinny priorytetowo traktować PCB 4-warstwowe lub wyższe; płytki dwuwarstwowe są odpowiednie dla prostych obwodów.
• Typowy układ płytki 4-warstwowej: Warstwa górna (sygnały cyfrowe/analogowe), warstwa druga (warstwa masy, zmniejszająca spadek napięcia IR i chroniąca sygnały), warstwa trzecia (warstwa zasilania), warstwa dolna (sygnały pomocnicze);
• Warstwy zasilania i masy muszą być blisko siebie, wykorzystując pojemność międzylaminarną do osiągnięcia odsprzęgania wysokiej częstotliwości;
• Płytki wielowarstwowe mogą używać przelotek ślepych i zakopanych do łączenia warstw, zmniejszając przestrzeń ścieżek powierzchniowych i czyniąc układ bardziej czystym.

VII. Rezystory miedziane PCB: Wybór odpowiedniej grubości miedzi w celu zmniejszenia błędów
Ścieżki miedziane są rdzeniem połączeń obwodów i płaszczyzn masy. Nadmierna rezystancja może prowadzić do błędów sygnału. Pamiętaj o tych punktach:

• Standardowe PCB używają miedzi 1oz; sekcje o dużej mocy używają miedzi 2oz lub 3oz (rezystywność miedzi wynosi 1,724 × 10⁻⁶ Ω/cm w 25℃);
• Folia miedziana 1oz ma grubość około 0,036 mm, o rezystancji 0,48 mΩ/kwadrat. Na przykład, ścieżka o szerokości 0,25 mm ma rezystancję około 19 mΩ/cm;
• W przypadku precyzyjnych obwodów o niskiej impedancji (takich jak 16-bitowe przetworniki ADC), zwróć uwagę na rezystancję ścieżki miedzianej, aby uniknąć wprowadzenia dodatkowych błędów. Poszerz ścieżki lub zwiększ grubość miedzi, jeśli to konieczne.

VIII. Konstrukcja uziemienia: Dwie opcje, wybierz zgodnie z potrzebami

Uziemienie ma kluczowe znaczenie dla tłumienia zakłóceń. Wybór odpowiedniej opcji jest ważny dla różnych systemów. Dwie główne metody są szczegółowo wyjaśnione:

1. Pojedyncza warstwa masy (zalecana dla systemów ADC/DAC o niskim prądzie cyfrowym)

• Użycie pojedynczej, solidnej warstwy masy pozwala prądowi powrotnemu podążać ścieżką o najmniejszej rezystancji, unikając zakłóceń sygnałów mieszanych.
• Prąd powrotny o niskiej częstotliwości płynie wzdłuż linii odniesienia masy urządzenia, podczas gdy prąd powrotny o wysokiej częstotliwości płynie z powrotem wzdłuż ścieżki sygnału, zmniejszając zakłócenia pętli.

2. Niezależna masa analogowa + masa cyfrowa (zalecana dla złożonych systemów o wysokim prądzie)

• Podzielenie warstwy masy na masę analogową i masę cyfrową, połączone za pomocą "masy gwiazdowej" (punkt przecięcia to masa gwiazdowa), zapewniając spójne poziomy odniesienia dla obu.
• Pin AGND urządzeń o sygnałach mieszanych jest podłączony do masy analogowej, a pin DGND jest podłączony do masy cyfrowej, izolując prąd cyfrowy o wysokim poziomie szumów.
• Płytki PCB wielowarstwowe muszą zapewniać całkowitą izolację między płaszczyznami AGND i DGND, a nakładanie się jest niedozwolone.

Ⅸ. Ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi: Stwórz klatkę Faradaya, aby wyeliminować zakłócenia zewnętrzne

Po zajęciu się zakłóceniami wewnętrznymi, kluczowe jest zabezpieczenie przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). W przeciwnym razie mogą wystąpić przerwy w komunikacji, uszkodzenie danych z czujników i awarie komponentów. Oto kilka technik ekranowania:

• Użyj wystarczającego ekranowania metalowego, aby stworzyć "klatkę Faradaya", całkowicie zakrywając obwód ze wszystkich sześciu stron i połącz go z płaszczyzną masy, aby uzyskać optymalne ekranowanie.
• Konstrukcja ekranowania musi uwzględniać wymagania dotyczące odprowadzania ciepła i rezerwować kanały wejścia/wyjścia sygnału. Ekranowanie nie powinno zakłócać normalnego działania obwodu.
• W przypadku środowisk o wysokiej częstotliwości i wysokich zakłóceniach, warstwa ekranująca musi zapewniać bezproblemowe połączenie, aby uniknąć "luk w ekranowaniu."

Opanuj te 9 hybrydowych technik układu PCB. Niezależnie od tego, czy jesteś początkującym, czy doświadczonym optymalizatorem PCB, możesz z łatwością poradzić sobie z różnymi wyzwaniami związanymi z układem, bezpośrednio podwajając stabilność i wydajność obwodu!