Mẹo và Hướng dẫn Thiết kế PCB Tốc độ Cao

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số mẹo và hướng dẫn cho thiết kế bảng mạch in tốc độ cao.

Khi nói đến thiết kế tốc độ cao, chúng ta thường quan tâm đến hai lĩnh vực. Lĩnh vực đầu tiên là tính toàn vẹn của tín hiệu (SI), và các vấn đề liên quan đến nhiễu chéo do khoảng cách dẫn, phản xạ do không khớp trở kháng, suy giảm tín hiệu, và các vấn đề như rung. Tất nhiên, chúng ta muốn giảm thiểu những vấn đề đó theo khả năng tốt nhất của mình. Thứ hai, chúng ta quan tâm đến sự can thiệp từ sóng điện từ (EMI).

Trước khi bắt đầu, tôi phải giới thiệu một video tuyệt vời trên kênh YouTube của Altium do Rick Hartley thực hiện về thiết kế PCB đúng cách và cách đạt được tiếp đất đúng cách. Các chủ đề được đề cập chi tiết trong video đó đặc biệt quan trọng cho thiết kế số tốc độ cao và thiết kế tương tự tốc độ cao. Hãy chắc chắn xem video tại đây.

Thiết kế PCB "tốc độ cao" là gì?

Trước khi chúng ta đi vào những mẹo và hướng dẫn thiết kế và bố trí PCB tốc độ cao, hãy xem xét khi nào chúng ta thực sự cần quan tâm đến tất cả những điều này!

Giả sử, chẳng hạn, chúng ta có một tín hiệu đồng hồ 100 MHz trong thiết kế của mình và một cách ngây thơ giả định đây là tần số cao nhất rõ ràng trong hệ thống của chúng ta. Hóa ra, vấn đề không thực sự là tín hiệu đồng hồ có tần số cơ bản là 100 MHz mà thực sự là các vấn đề thiết kế của chúng ta đến từ thời gian tăng và giảm của tín hiệu đồng hồ gần như hình vuông này.

Những chuyển đổi sắc nét từ mức thấp sang mức cao kỹ thuật số (hoặc ngược lại) chứa nội dung tần số cao hơn nhiều so với tần số cơ bản. Dựa vào thời gian tăng và giảm của tín hiệu (tùy thuộc vào cái nào nhanh hơn), chúng ta có thể tính toán tần số tối đa trong tín hiệu (hoặc cụ thể là băng thông) xấp xỉ sử dụng công thức sau:

Ví dụ, đối với tín hiệu đồng hồ 100 MHz với thời gian tăng 1 ns, băng thông của tín hiệu đó là 500 MHz—một sự khác biệt đáng kể!

Khi chiều dài đường dẫn PCB vượt quá 1/12 bước sóng trong điện môi, chúng ta cần bắt đầu xem xét thiết kế PCB của mình một cách chi tiết hơn. Đây là điểm mà các đường dẫn của chúng ta bắt đầu trông giống như các đường truyền dẫn có chiều dài phân phối, và không còn giống như các phần tử cục bộ nữa. Chúng ta gọi chiều dài này là “chiều dài quan trọng.”

Mẹo #1: Các Mặt Phẳng Tham Chiếu

Chúng ta luôn muốn có một mặt đất hoặc mặt cung cấp điện năng liền kề với mặt tín hiệu, ngay trên lớp phía dưới (hoặc phía trên) một lớp mang dấu vết tín hiệu. Trong một số trường hợp, bạn có thể sử dụng mặt cung cấp điện năng liên quan thay cho mặt đất làm mặt tham chiếu. Ở đây, liên quan có nghĩa là điện áp của mặt tham chiếu giống với điện áp mà tín hiệu được tạo ra từ đó. Các mặt tham chiếu không chỉ quan trọng để duy trì đường dẫn trở lại phù hợp và giảm thiểu sự lan truyền của trường điện từ, mà còn khi yêu cầu các dấu vết có trở kháng kiểm soát. 

Đối với tín hiệu AC, bất cứ thứ gì trên vài kHz, và đường dẫn trở lại thực sự nằm ngay dưới dấu vết tín hiệu trên mặt tham chiếu phía dưới. Một quy tắc rất quan trọng là không được có sự chia cắt nào trên mặt tham chiếu dưới các dấu vết.

Mẹo #2: Cấu trúc Bảng Mạch

Chúng ta muốn có một mặt đất không chỉ liền kề với mặt tín hiệu mà còn liền kề với mặt cung cấp điện. Cũng là một ý tưởng tốt khi có một điện môi mỏng giữa các mặt, điều này đồng thời mang lại cho chúng ta sự kết nối chặt chẽ và cũng cho phép chúng ta sử dụng các dấu vết mỏng hơn cho các thiết kế dày đặc hơn.

Các dấu vết mỏng hơn cũng cho chúng ta nhiều không gian hơn để làm việc, và khoảng cách lớn hơn giữa các dấu vết. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng việc sản xuất các dấu vết mỏng có thể khó khăn hơn.

Mẹo #3: Kiểm soát Độ trở kháng của Đường mạch

Ngay khi chiều dài đường mạch của chúng ta vượt quá chiều dài quan trọng được thảo luận ở phần mở đầu của bài viết này, chúng ta cần kiểm soát độ trở kháng của các đường mạch của mình. Cụ thể, chúng ta cần điều chỉnh chiều rộng của đường mạch—tùy thuộc vào cấu trúc PCB và cấu hình mà chúng ta chọn—để có được một độ trở kháng đường truyền nhất định. Thông thường, đối với tín hiệu đơn cuối, độ trở kháng này sẽ là 50 Ohm. Altium Designer có tính năng máy giải 2D mạnh mẽ có thể tính toán chiều rộng đường mạch cần thiết tùy thuộc vào cấu trúc và cấu hình của bạn trong vài giây!

Mẹo #4: Chiều dài Đường mạch, Khoảng cách và Quy tắc 3h

Chúng ta cần giữ các đường mạch tốc độ cao càng ngắn càng tốt—điều này giúp giảm thiểu EMI và SI. Thêm vào đó, chúng ta muốn giữ các đường mạch tốc độ cao khác nhau càng xa càng tốt để giảm thiểu nhiễu chéo.

Ngoài ra, hãy cố gắng giữ cho các đường truyền tốc độ cao tránh xa các thành phần như cuộn cảm hoặc phần nguồn của mạch. Một quy tắc thông thường là quy tắc 3h, nghĩa là các đường dẫn nên được tách ra ít nhất ba lần chiều cao của điện môi giữa lớp tín hiệu và lớp đất hoặc lớp tham chiếu tiếp theo.

Đối với các thiết kế tốc độ cao, hiệu suất cao, chúng ta thường cần đến các công cụ mô phỏng để xác minh rằng chúng ta đang đáp ứng được yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu và hiệu suất EMI.

Altium Designer trên Altium 365 mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ xa và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có. Cũng có nhiều hướng dẫn thiết kế PCB tốc độ cao với thêm nhiều hướng dẫn thiết kế và bố trí PCB tốc độ cao cho bạn tận dụng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện được với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể xem trang sản phẩm để biết thêm mô tả chi tiết về tính năng hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo yêu cầu để biết thêm thông tin về kỹ thuật thiết kế và bố trí PCB tốc độ cao.