Có nên tách lớp đất AGND và DGND không?
Câu trả lời đơn giản là tùy vào từng tình huống, còn câu trả lời chi tiết là chúng thường không tách rời nhau.Bởi vì trong hầu hết các trường hợp, việc tách lớp đất sẽ chỉ làm tăng độ tự cảm của dòng hồi lưu, gây hại nhiều hơn là có lợi.Công thức V = L(di/dt) cho thấy khi độ tự cảm tăng thì nhiễu điện áp tăng.Và khi dòng chuyển mạch tăng (vì tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi tăng), nhiễu điện áp cũng sẽ tăng.Vì vậy, các lớp nối đất cần được kết nối với nhau.
Một ví dụ là trong một số ứng dụng, để tuân thủ các yêu cầu thiết kế truyền thống, nguồn điện bus bẩn hoặc mạch kỹ thuật số phải được đặt ở một số khu vực nhất định, nhưng cũng do những hạn chế về kích thước, khiến bo mạch không thể đạt được phân vùng bố trí tốt, trong trường hợp này trường hợp, lớp nối đất riêng biệt là chìa khóa để đạt được hiệu suất tốt.Tuy nhiên, để thiết kế tổng thể có hiệu quả, các lớp nối đất này phải được kết nối với nhau ở đâu đó trên bo mạch bằng cầu nối hoặc điểm kết nối.Vì vậy, các điểm kết nối cần được phân bố đều trên các lớp nối đất tách biệt.Cuối cùng, thường sẽ có một điểm kết nối trên PCB trở thành vị trí tốt nhất để dòng điện trở lại đi qua mà không làm giảm hiệu suất.Điểm kết nối này thường nằm gần hoặc bên dưới bộ chuyển đổi.
Khi thiết kế các lớp cấp nguồn, hãy sử dụng tất cả các vết đồng có sẵn cho các lớp này.Nếu có thể, không cho phép các lớp này chia sẻ sự sắp xếp, vì sự sắp xếp và vias bổ sung có thể nhanh chóng làm hỏng lớp cung cấp điện bằng cách chia nó thành các phần nhỏ hơn.Kết quả là lớp năng lượng thưa thớt có thể ép các đường dẫn hiện tại đến nơi cần thiết nhất, cụ thể là các chân nguồn của bộ chuyển đổi.Việc ép dòng điện giữa vias và các căn chỉnh sẽ làm tăng điện trở, gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp nhẹ trên các chân nguồn của bộ chuyển đổi.
Cuối cùng, vị trí của lớp cung cấp điện là rất quan trọng.Không bao giờ xếp lớp cấp nguồn kỹ thuật số gây nhiễu lên trên lớp cấp nguồn tương tự, nếu không cả hai vẫn có thể kết hợp với nhau mặc dù chúng ở trên các lớp khác nhau.Để giảm thiểu nguy cơ suy giảm hiệu suất hệ thống, thiết kế nên tách các loại lớp này thay vì xếp chồng chúng lại với nhau bất cứ khi nào có thể.
Có thể bỏ qua thiết kế hệ thống phân phối điện (PDS) của PCB không?
Mục tiêu thiết kế của PDS là giảm thiểu gợn sóng điện áp được tạo ra để đáp ứng nhu cầu dòng điện của nguồn điện.Tất cả các mạch đều yêu cầu dòng điện, một số có nhu cầu cao và một số mạch khác yêu cầu dòng điện được cung cấp với tốc độ nhanh hơn.Việc sử dụng lớp nguồn hoặc lớp nối đất có trở kháng thấp được tách rời hoàn toàn và lớp PCB tốt sẽ giảm thiểu hiện tượng gợn sóng điện áp do nhu cầu dòng điện của mạch.Ví dụ: nếu thiết kế được thiết kế cho dòng điện chuyển mạch 1A và trở kháng của PDS là 10mΩ thì gợn sóng điện áp tối đa là 10mV.
Đầu tiên, cấu trúc ngăn xếp PCB phải được thiết kế để hỗ trợ các lớp điện dung lớn hơn.Ví dụ: ngăn xếp sáu lớp có thể chứa lớp tín hiệu trên cùng, lớp mặt đất thứ nhất, lớp nguồn thứ nhất, lớp nguồn thứ hai, lớp mặt đất thứ hai và lớp tín hiệu dưới cùng.Lớp nối đất đầu tiên và lớp cung cấp điện đầu tiên được bố trí ở gần nhau trong cấu trúc xếp chồng lên nhau và hai lớp này cách nhau 2 đến 3 mil để tạo thành điện dung lớp bên trong.Ưu điểm lớn của tụ điện này là nó miễn phí và chỉ cần ghi rõ trong ghi chú sản xuất PCB.Nếu lớp cung cấp điện phải được tách ra và có nhiều đường ray nguồn VDD trên cùng một lớp thì nên sử dụng lớp cung cấp điện lớn nhất có thể.Đừng để trống mà cũng chú ý đến các mạch nhạy cảm.Điều này sẽ tối đa hóa điện dung của lớp VDD đó.Nếu thiết kế cho phép có thêm các lớp bổ sung thì nên đặt thêm hai lớp nối đất giữa lớp cấp nguồn thứ nhất và thứ hai.Trong trường hợp khoảng cách lõi giống nhau từ 2 đến 3 mil, điện dung vốn có của cấu trúc nhiều lớp sẽ tăng gấp đôi vào thời điểm này.
Để cán PCB lý tưởng, nên sử dụng tụ điện tách rời ở điểm bắt đầu của lớp cấp nguồn và xung quanh DUT, điều này sẽ đảm bảo trở kháng PDS thấp trên toàn bộ dải tần.Sử dụng một số tụ điện từ 0,001µF đến 100µF sẽ giúp bao phủ phạm vi này.Không nhất thiết phải có tụ điện ở mọi nơi;việc lắp tụ điện trực tiếp vào DUT sẽ phá vỡ mọi quy tắc sản xuất.Nếu cần những biện pháp nghiêm khắc như vậy thì mạch có vấn đề khác.
Tầm quan trọng của miếng đệm tiếp xúc (E-Pad)
Đây là một khía cạnh dễ bị bỏ qua, nhưng nó rất quan trọng để đạt được hiệu suất và khả năng tản nhiệt tốt nhất của thiết kế PCB.
Tấm đệm tiếp xúc (Chân 0) dùng để chỉ một tấm đệm bên dưới hầu hết các IC tốc độ cao hiện đại và đây là một kết nối quan trọng qua đó tất cả nối đất bên trong của chip được kết nối với một điểm trung tâm bên dưới thiết bị.Sự hiện diện của một miếng đệm hở cho phép nhiều bộ chuyển đổi và bộ khuếch đại loại bỏ sự cần thiết của chân nối đất.Điều quan trọng là hình thành kết nối điện và kết nối nhiệt ổn định và đáng tin cậy khi hàn miếng đệm này vào PCB, nếu không hệ thống có thể bị hỏng nghiêm trọng.
Có thể đạt được kết nối điện và nhiệt tối ưu cho các miếng đệm hở bằng cách làm theo ba bước.Đầu tiên, nếu có thể, các miếng đệm hở phải được sao chép trên mỗi lớp PCB, điều này sẽ mang lại kết nối nhiệt dày hơn cho toàn bộ mặt đất và do đó tản nhiệt nhanh, đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị có công suất cao.Về mặt điện, điều này sẽ cung cấp kết nối đẳng thế tốt cho tất cả các lớp nối đất.Khi sao chép các miếng đệm lộ ra ở lớp dưới cùng, nó có thể được sử dụng làm điểm tiếp đất tách rời và là nơi gắn các bộ tản nhiệt.
Tiếp theo, chia các miếng đệm lộ ra thành nhiều phần giống hệt nhau.Hình dạng bàn cờ là tốt nhất và có thể đạt được bằng lưới chéo màn hình hoặc mặt nạ hàn.Trong quá trình lắp ráp reflow, không thể xác định được chất hàn chảy như thế nào để thiết lập kết nối giữa thiết bị và PCB, do đó kết nối có thể có nhưng phân bố không đều, hoặc tệ hơn là kết nối nhỏ và nằm ở góc.Việc chia miếng đệm lộ ra thành các phần nhỏ hơn cho phép mỗi khu vực có một điểm kết nối, do đó đảm bảo kết nối đồng đều, đáng tin cậy giữa thiết bị và PCB.
Cuối cùng, cần đảm bảo rằng mỗi phần đều có kết nối qua lỗ với mặt đất.Các khu vực thường đủ rộng để chứa nhiều vias.Trước khi lắp ráp, hãy đảm bảo lấp đầy từng lỗ bằng chất hàn hoặc epoxy.Bước này rất quan trọng để đảm bảo rằng miếng hàn dán hở ra không chảy ngược vào các hốc vias, điều này sẽ làm giảm cơ hội kết nối đúng cách.
Vấn đề ghép chéo giữa các lớp trong PCB
Trong thiết kế PCB, cách bố trí dây của một số bộ chuyển đổi tốc độ cao chắc chắn sẽ có một lớp mạch được ghép chéo với một lớp khác.Trong một số trường hợp, lớp tương tự nhạy cảm (nguồn, mặt đất hoặc tín hiệu) có thể nằm ngay phía trên lớp kỹ thuật số có độ nhiễu cao.Hầu hết các nhà thiết kế cho rằng điều này không liên quan vì các lớp này nằm trên các lớp khác nhau.Đây có phải là trường hợp?Hãy xem xét một bài kiểm tra đơn giản.
Chọn một trong các lớp liền kề và đưa tín hiệu ở mức đó, sau đó kết nối các lớp ghép chéo với máy phân tích phổ.Như bạn có thể thấy, có rất nhiều tín hiệu được ghép với lớp liền kề.Ngay cả với khoảng cách 40 mils, có cảm giác rằng các lớp liền kề vẫn tạo thành điện dung, do đó ở một số tần số, tín hiệu sẽ vẫn được ghép từ lớp này sang lớp khác.
Giả sử phần kỹ thuật số có độ nhiễu cao trên một lớp có tín hiệu 1V từ công tắc tốc độ cao, lớp không được điều khiển sẽ thấy tín hiệu 1mV được ghép từ lớp được điều khiển khi mức cách ly giữa các lớp là 60dB.Đối với bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 12 bit có dao động toàn thang 2Vp-p, điều này có nghĩa là khớp nối 2LSB (bit ít quan trọng nhất).Đối với một hệ thống nhất định, điều này có thể không phải là vấn đề, nhưng cần lưu ý rằng khi độ phân giải tăng từ 12 lên 14 bit, độ nhạy sẽ tăng theo hệ số bốn và do đó lỗi tăng lên 8LSB.
Việc bỏ qua sự ghép nối giữa các mặt phẳng/nhiều lớp có thể không làm cho thiết kế hệ thống bị lỗi hoặc làm suy yếu thiết kế, nhưng người ta vẫn phải thận trọng vì có thể có nhiều sự ghép nối giữa hai lớp hơn người ta có thể mong đợi.
Điều này cần được lưu ý khi tìm thấy sự ghép nhiễu giả trong phổ mục tiêu.Đôi khi bố trí dây có thể dẫn đến các tín hiệu ngoài ý muốn hoặc ghép chéo lớp với các lớp khác nhau.Hãy ghi nhớ điều này khi gỡ lỗi các hệ thống nhạy cảm: vấn đề có thể nằm ở lớp bên dưới.
Bài viết được lấy từ mạng, nếu có vi phạm vui lòng liên hệ để xóa, xin cảm ơn!
Thời gian đăng: 27-04-2022