Các Đường Dẫn Bảo Vệ trong Thiết Kế PCB Là Gì và Chúng Có Hiệu Quả Không?

Các dấu vết bảo vệ trên bố cục PCB là một chủ đề khác mà vẫn còn nhiều thông tin mâu thuẫn. Bạn có thể tìm thấy nhiều tài liệu tham khảo khác nhau về việc sử dụng chúng. Có sự nhầm lẫn về loại thiết kế nào—mạch tương tự, tín hiệu hỗn hợp hay số—được cho là hưởng lợi nhiều nhất từ việc sử dụng các dấu vết bảo vệ; cách các dấu vết bảo vệ chặn trường EM; tầm quan trọng của việc có các đầu dấu vết nổi, nối đất ở một đầu hoặc nối đất ở cả hai đầu và loại dấu vết nào được hưởng lợi nhiều nhất từ việc sử dụng các dấu vết bảo vệ—microstrip hay stripline. Bài viết này sẽ giải quyết tất cả các chủ đề này và trình bày dữ liệu từ phần cứng thực tế tài liệu tại sao các dấu vết bảo vệ, bất kể cách thực hiện của chúng, không mang lại giá trị thực sự và tại sao chiều cao của dấu vết so với mặt phẳng và khoảng cách giữa các dấu vết là phương pháp tốt nhất để kiểm soát nhiễu chéo.

Nguồn Gốc của Các Dấu Vết Bảo Vệ

Các dấu vết bảo vệ thực sự có giá trị trong một số ứng dụng sản phẩm cụ thể, đặc biệt là những sản phẩm có trở kháng cực cao, thiết kế PCB tương tự với tiếng ồn thấp và nguồn điện rất yếu. Ví dụ, trong một máy EKG, có trở kháng cao và tần số thấp, có nguy cơ bị nhiễu điện dung từ bên ngoài vào dấu vết. Tín hiệu quá yếu đến mức không cần nhiều từ bên ngoài để làm nó bị xáo trộn. Trong trường hợp này, một dấu vết bảo vệ xung quanh dấu vết tín hiệu có thể ngăn chặn sự cảm ứng điện dung. Vậy còn về thiết kế tương tự so với thiết kế số thì sao? Thật khó để phân tích giá trị của việc sử dụng dấu vết bảo vệ so với không sử dụng dựa trên việc sản phẩm là thiết bị tương tự hay số. Định nghĩa tình huống dựa trên tương tự là quá chung chung. Ví dụ, một bộ khuếch đại âm thanh công suất cao cũng là Tương tự.

Điều này cũng đúng với các thiết kế tín hiệu hỗn hợp và liệu chúng có thể được phân loại là mục tiêu tốt cho việc sử dụng dây bảo vệ hay không. Việc triển khai sản phẩm tín hiệu hỗn hợp bắt đầu với một tín hiệu analog, sau đó, tại một số điểm nào đó, được chuyển đổi thành tín hiệu số. Điều này được thực hiện bởi các bộ chuyển đổi A sang D và đây là định nghĩa thông thường của một sản phẩm tín hiệu hỗn hợp. Trong các triển khai sản phẩm ngày nay, tất cả các bộ phát sóng đều là số bên trong kể cả phần RF. Mạch số RF không còn được tạo ra từ các mạng L (cảm) và C (dung). Ví dụ, trong một điện thoại di động, không tìm thấy bất kỳ Ls và Cs nào. Ăng-ten đi thẳng vào một chip mà ngay lập tức chuyển đổi tín hiệu đó từ analog sang số ngay cả ở các tần số RF rất cao. Cũng cần lưu ý rằng, trong các nguồn thông tin khác nhau về việc sử dụng dây bảo vệ hiện đang lưu hành, cả nhiễu cận cuối và nhiễu xa cuối đều được ghi chú. Trong thế giới số, nhiễu mà người ta quan tâm là nhiễu ngược. Điều này được mô tả trong Hình 1.

Hình 1. Nhiễu Tiến và Nhiễu Lùi so với Chiều Dài

Dây Bảo Vệ là gì?

Ý tưởng đằng sau việc sử dụng dây bảo vệ là khi bạn đặt một dây bảo vệ giữa hai đường truyền tín hiệu, bạn đang chặn trường EM giữa hai đường và giảm thiểu sự nhiễu crosstalk không mong muốn xảy ra giữa chúng. Trên thực tế, việc chèn một dây bảo vệ giữa hai đường truyền tín hiệu làm tăng khoảng cách giữa chúng và chính sự tăng khoảng cách này làm giảm nhiễu crosstalk, chứ không phải do dây bảo vệ. Nếu một dây có thể ngăn chặn trường EM, một máy biến áp sẽ không hoạt động. Điều mong đợi là khi năng lượng đi qua dây đó, một phần nào đó của nó được thu nhận dọc theo đường đi. Chúng ta phụ thuộc vào điều đó để tạo ra một máy biến áp. Dây không ngăn chặn được trường từ.

Dấu vết là một mạng lưới LC phân tán có thể cộng hưởng ở một số tần số nhất định. Nếu hình dạng của nó phù hợp, nó có thể cộng hưởng ở một tần số quan trọng trong thiết kế, tạo ra một bộ lọc thông băng làm tăng crosstalk chứ không giảm nó. Hình 2 mô tả một thiết kế như vậy. Đây là hình ảnh thiết kế cho một backplane siêu máy tính thất bại được xây dựng vào cuối những năm 1980. Các kỹ sư trong dự án lo ngại rằng trở kháng của các đường truyền backplane sẽ làm quá tải các bộ điều khiển. Để ngăn chặn điều này, trở kháng của backplane được thiết lập ở 70 ohm. Các nhà thiết kế của backplane đã chèn các dấu vết bảo vệ để kiểm soát crosstalk không mong muốn. Chiều dài của các dấu vết bảo vệ vô tình cộng hưởng ở tần số đồng hồ của máy tính. Kết quả là sự kết hợp không mong muốn giữa các tín hiệu lan truyền ngang qua backplane khiến cho máy tính không ổn định. Giải pháp là loại bỏ thiết kế và bắt đầu lại từ đầu. Điều này không bao giờ là một ý tưởng tốt khi bạn đang cố gắng đáp ứng các cửa sổ thị trường quan trọng và kiểm soát tổng chi phí phát triển sản phẩm.

Cũng cần lưu ý rằng trong các sản phẩm Internet ngày nay, các PCB quá chật chội với mạch và dấu vết tín hiệu đến mức không còn chỗ cho các dấu vết bảo vệ. Chúng là một điều không thể về mặt vật lý.

Hình 2. Backplane Bus với “Dấu vết” Bảo vệ

Mục đích của việc kiểm soát nhiễu chéo bằng dây bảo vệ là gì?

Có một lượng thông tin đáng kể về cách mà dây bảo vệ được kết thúc làm tăng hiệu quả trong việc kiểm soát nhiễu chéo. Các lựa chọn bao gồm: dây bảo vệ không kết nối; dây bảo vệ chỉ kết thúc ở một đầu và dây bảo vệ được kết thúc ở cả hai đầu. Trên thực tế, bất kể dây bảo vệ được kết thúc như thế nào, chúng đều là mạng LC cộng hưởng và có thể tạo ra bộ lọc thông dải và không có cái nào thực hiện đúng như những gì chúng được cho là sẽ làm.

Hơn nữa, việc kết nối cả hai đầu của một dây với mặt đất không có nghĩa là dây đó đã được thêm vào “mặt đất” hay có khả năng chặn trường EM. Dây cáp bất kỳ, không quan trọng cách kết nối đầu của chúng như thế nào, không chặn được trường EM. Đó là khoảng cách giữa các dây dẫn quyết định cách kiểm soát nhiễu chéo. Hình 3 mô tả cách tăng khoảng cách giữa hai dòng là cách để kiểm soát nhiễu chéo giữa chúng.

Hình 3. Nhiễu chéo ngược so với Khoảng cách Cạnh đến Cạnh và Độ Cao So với Mặt Phẳng Gần Nhất

Cũng có cáo buộc rằng để một dấu vết bảo vệ có hiệu quả trong cấu hình stripline, dấu vết bảo vệ phải có độ dài chính xác bằng độ dài kết nối. Một lần nữa, các đặc điểm hình học của dấu vết bảo vệ không ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát nhiễu chéo bởi vì khoảng cách giữa các dấu vết mới quyết định mức độ giảm kết nối được cải thiện như thế nào.

Dấu Vết Bảo Vệ PCB: Microstrip so với Stripline

Một số nguồn tin chỉ ra rằng hiệu quả của dấu vết bảo vệ khác nhau đối với cấu hình microstrip so với stripline, kết quả là dấu vết bảo vệ không hiệu quả đối với cấu hình microstrip nhưng lại hiệu quả đối với cấu hình stripline miễn là cả hai đầu của dấu vết bảo vệ được nối ngắn mạch với mặt đất. Do đó, việc kết thúc hoặc không kết thúc một dấu vết bảo vệ không liên quan, cũng như hiệu quả của nó trên bất kỳ cấu hình nào.

Dấu Vết Bảo Vệ Có Hoạt Động?

Hiểu được điều gì hoạt động trong việc kiểm soát nhiễu chéo trở lại với việc hiểu các quy tắc cơ bản của vật lý và cách thức hoạt động của trường EM.

Việc định tuyến cổ điển luôn được thực hiện với các đường dẫn rộng 5 mil và khoảng cách 5 mil. Bạn có thể có khoảng cách này cùng với chiều cao 5 mil so với mặt phẳng. Đây là cấu hình bạn sẽ có trên một PCB bốn lớp như bo mạch chủ của máy tính. Điều này sẽ mang lại cho bạn 8% nhiễu chéo. Nếu bạn không muốn điều đó và bạn chèn một dấu vệt bảo vệ, bạn sẽ phải tách các đường truyền từ mép này sang mép kia 15 mil. Điều này giảm nhiễu chéo xuống còn 0.8%. Đây là sự giảm nhiễu chéo 10 lần và người ta giả định rằng điều này là do dấu vệt bảo vệ. Trên thực tế, đó là khoảng cách giữa các đường dẫn đã giảm sự ghép nối, không phải dấu vệt bảo vệ. Một khi vật lý của việc tách biệt được hiểu, việc thiết kế PCB theo cách mà nhiễu chéo được kiểm soát một cách bản chất như một phần của quy trình thiết kế trở nên dễ dàng.

Trong quá trình thiết kế PCB để kiểm soát nhiễu chéo, bạn muốn đảm bảo rằng đường truyền đi qua một lớp phẳng vững chắc và không nhất thiết phải là lớp có tên là mặt đất DC. Nó có thể là một lớp Vdd. Như vậy, năng lượng sẽ nằm giữa dấu vết và lớp phẳng. Càng gần lớp phẳng với đường truyền, bạn càng đảm bảo rằng năng lượng đi giữa dấu vết và lớp phẳng chứ không phải đến các dấu vết lân cận. Lý tưởng nhất, bạn bắt đầu quá trình xếp chồng PCB của mình bằng cách đặt dấu vết càng gần lớp phẳng càng tốt. Sau đó, bạn chọn một con số có thể sản xuất được. Trong hầu hết các trường hợp, không thể đạt được gần hơn 4 mils. Do đó, bạn bắt đầu từ 4 mils và sau đó bạn thiết lập khoảng cách tách biệt cho mục tiêu nhiễu chéo và độ rộng dấu vết cho mục tiêu trở kháng.

Bạn Đánh Giá Làm Sao Tất Cả Dữ Liệu Về Dấu Vết Bảo Vệ Đang Có?

Có rất nhiều dữ liệu trong ngành công nghiệp được cho là hỗ trợ tất cả các kết luận đã được đưa ra liên quan đến hiệu quả của dấu vết bảo vệ. Nhưng, điều quan trọng cần nhớ là các mô phỏng và phương trình được đề xuất dựa trên lý thuyết chứ không phải kết quả thực tế trên phần cứng. Mô phỏng có giá trị của nó nhưng chỉ khi chúng được hỗ trợ bằng chứng cứ thực tế từ bảng mạch in thì mới có thể được coi là chính xác.

Cuối cùng, Đường Dẫn Bảo Vệ Có Kiểm Soát Nhiễu Chéo Hay Không?

Đường dẫn bảo vệ trên PCB, bất kể cách thực hiện và kết thúc của chúng, không kiểm soát nhiễu chéo. Thực tế, vì đường dẫn bảo vệ có thể tạo ra bộ lọc thông băng, chúng thực sự có thể tăng nhiễu chéo chứ không giảm nó. Hiểu biết tốt về nguyên tắc cơ bản của vật lý và cách trường EM hoạt động là vũ khí tốt nhất của bạn trong việc giảm nhiễu chéo.

Có thêm câu hỏi? Gọi cho chuyên gia tại Altium hoặc tìm hiểu cách tránh nhiễu chéo với Altium Designer^®.

Tài liệu tham khảo:

1. Ritchey, Lee W. và Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volume 1.”