Hướng dẫn Bố trí PCB Tốc độ Cao: Mẹo và Chiến lược Đặt linh kiện

Trong lĩnh vực bất động sản, cụm từ được nhắc đến nhiều nhất là; “vị trí, vị trí, vị trí”. Thú vị thay, điều tương tự cũng có thể được áp dụng cho bố trí PCB tốc độ cao. Mặc dù tất cả các khía cạnh của quá trình thiết kế PCB tốc độ cao đều quan trọng, nhưng việc đặt linh kiện lại đặc biệt quan trọng để đảm bảo việc định tuyến dễ dàng, giảm thiểu EMI và có thể loại bỏ nhu cầu về một số lớp bổ sung. Các phương pháp đặt vị trí hoạt động mà không gặp vấn đề trong thiết kế PCB tiêu chuẩn có thể không đáp ứng được yêu cầu về dòng tín hiệu quan trọng của thiết kế tốc độ cao. Để thiết kế hoạt động, thực sự là tất cả về “vị trí, vị trí, vị trí”.

Dưới đây là một số mẹo và chiến lược cần xem xét khi tạo bố trí PCB tốc độ cao của bạn. Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét một số xem xét cơ bản về việc đặt linh kiện cho các thiết kế tốc độ cao tiếp theo là lợi ích của việc tạo một kế hoạch sàn trước khi đặt linh kiện trên bảng mạch. Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, chúng ta sẽ thảo luận về điện trở kết thúc và nơi chúng nên được đặt.

Đặt Linh Kiện trong Bố Trí PCB Tốc Độ Cao của Bạn

Bất kỳ bố cục PCB nào cũng giống như một câu đố khó giải, với nhiều mục tiêu cạnh tranh. Thường thì bạn sẽ có một số ràng buộc về hình dạng và mục tiêu về số lớp bạn cần đáp ứng, và bạn cần đảm bảo các bộ phận được đặt theo cách để thỏa mãn những ràng buộc này và nhiều hơn nữa.

Các bộ phận trong bố cục PCB tốc độ cao nên được sắp xếp theo các cách sau:

1. Nhóm theo khối mạch: Đầu tiên, nhóm các linh kiện thực hiện các nhiệm vụ cụ thể trong hệ thống lại với nhau. Ví dụ, tất cả các linh kiện tham gia vào quá trình điều chỉnh nguồn nên được nhóm lại với nhau.
2. Nhóm xung quanh các bộ xử lý lớn: Những linh kiện này thường có số lượng I/O cao và sẽ giao tiếp trực tiếp với các khối mạch nhóm của bạn. Hãy cố gắng sắp xếp các khối mạch cấp đầu tiên xung quanh bộ xử lý trung tâm của bạn, sau đó cố gắng sắp xếp các khối hạ lưu xung quanh chúng.
3. Nhóm theo quyền truy cập vào các kênh định tuyến: Nếu bạn có một tập hợp các linh kiện cần truy cập vào một giao diện chung trên linh kiện khác, hãy cố gắng sắp xếp các linh kiện này sao cho các chân của chúng đối diện với nhau. Điều này không phải lúc nào cũng có thể, nhưng nếu bạn thành công, bạn sẽ không cần phải định tuyến qua các lớp bên trong hoặc trên các đường dài xung quanh các linh kiện khác.

Trong hình dưới đây, bạn sẽ thấy một MCU lớn ở phía bên phải của bố trí, và có các linh kiện khác được nhóm xung quanh nó với các chân hướng về phía MCU. Xa hơn về phía bên trái, chúng ta có thể thấy có các linh kiện phụ như kết nối, LED và một số linh kiện thụ động. Lưu ý rằng chúng được sắp xếp đại khái để hướng về một bên của MCU. Điều này cho phép một số đường dẫn trực tiếp từ MCU đến những khu vực trên bảng mạch ở bên trái của bảng mạch.

 
Ví dụ về bố trí PCB tốc độ cao

Khi lên kế hoạch cho việc đặt các khối chức năng của mạch, cũng cần lưu ý đến nhu cầu về mặt đất và nguồn điện. Sử dụng các mặt phẳng nguồn liên tục thường được ưa chuộng, nhưng trong trường hợp nhu cầu thiết kế đòi hỏi một mặt phẳng nguồn chia cho nhiều điện áp, hãy cẩn thận khi đặt các linh kiện kết nối qua phần chia. Các đường truyền tốc độ cao không nên vượt qua các phần chia trong mặt phẳng nguồn vì điều đó sẽ làm gián đoạn đường dẫn trở lại cho những tín hiệu đó. Ngoài ra, tránh đặt các linh kiện khác không thuộc về một mạch giữa các linh kiện của mạch đó. Điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến đường dẫn trở lại cho mạch đó.

Hãy cùng nhìn sâu hơn vào việc đặt các bộ phận cho các khối linh kiện, kết nối, và các mạch khác.

Chuẩn bị cho Việc Đặt Vị Trí bằng cách Lập Kế Hoạch Sơ Bộ Cho Bố Cục

Tạo một kế hoạch sơ bộ cho việc đặt vị trí là một cách hiệu quả để chuẩn bị một bố cục PCB tốc độ cao. Bằng cách lên kế hoạch trước, bạn có thể tính toán cho các nhóm linh kiện như đã đề cập ở trên, thay vì bị bất ngờ khi chúng được đặt vào cuối cùng của thiết kế. 

Các Khối Chức Năng

Các khối chức năng của mạch điện như nguồn, RF, số, tương tự, v.v., nên được tổ chức và đặt thành nhóm để giảm thiểu việc chéo tín hiệu. Một kế hoạch sơ bộ trước khi đặt sẽ cho phép bạn thấy dòng tín hiệu giữa các khối chức năng là gì và làm thế nào để lên kế hoạch cho nó một cách tốt nhất. Ví dụ, hãy nhóm các tín hiệu tương tự tần số thấp của bạn càng nhiều càng tốt để các tín hiệu tần số cao hoặc tốc độ cao không phải đi qua các khu vực nhạy cảm của mạch tương tự.

EMI và Kết Nối

Bạn nên tránh đặt các thiết bị tốc độ cao nhạy cảm gần mép của bảng mạch. Điều này là bởi vì mép của bảng mạch có thể hoạt động như một khoang hở cho phép bức xạ điện từ thoát ra ngoài mép của bảng mạch, nghĩa là có thể có nhiều nhiễu điện từ (EMI) ảnh hưởng đến các thành phần khác trong hệ thống của bạn.

Bất kỳ dây cáp nào mà bảng mạch của bạn cần để truyền dữ liệu hoặc điện sẽ cần đạt được một kết nối trên bảng mạch của bạn, và những cái này có thể phát ra EMI. Do đó, thường là một ý tưởng tốt khi cố gắng tách biệt các kết nối và các thành phần tốc độ cao, các khối chức năng số tốc độ cao, và các khối tương tự tần số cao. Hầu hết các hướng dẫn đều nói rằng bạn nên đặt các kết nối gần mép bảng mạch và các thiết bị tốc độ cao nhạy cảm gần trung tâm bảng mạch để giảm EMI trong thiết kế của bạn.

Kết nối cạnh tốc độ cao cho thẻ PCIe. 

Quản lý Nhiệt

Hiệu ứng nhiệt là một khía cạnh khác của việc đặt linh kiện trong thiết kế tốc độ cao cần được xem xét. Điều này là bởi vì hướng dẫn bố trí tốc độ cao mong đợi rằng các thiết bị có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với các linh kiện tiêu chuẩn. Để đảm bảo rằng việc đặt linh kiện nóng của bạn luôn mát mẻ, hãy lên kế hoạch đặt chúng sao cho những linh kiện này nhận được luồng không khí không bị cản trở. Ví dụ, không đặt các linh kiện cao hơn, như các kết nối, theo hướng luồng không khí đến một BGA nóng.

Mạch Kết Thúc và Mạng Điều Chỉnh Trở Kháng

Chiến lược đặt linh kiện cuối cùng và cụ thể nhất là xem xét vị trí đặt các điện trở kết thúc của bạn. Các thiết kế PCB tốc độ cao có thể cần một số điện trở kết thúc được áp dụng ở đầu nguồn hoặc đầu nhận của một kết nối liên lạc, tùy thuộc vào trở kháng cổng của các linh kiện và trở kháng bạn cần phải khớp. Những điện trở này thường được coi là một phần phụ sau cùng được thêm vào sau khi các phần chính của mạch đã được đặt. Vì những điện trở này là một phần của mạch tổng thể, vị trí đặt của chúng vô cùng quan trọng để mạch hoạt động chính xác.

Dù bạn muốn đặt các thành phần tốc độ cao của mình ở đâu, bạn cũng cần phải dành chỗ ở đâu đó cho bất kỳ điện trở kết thúc nào được yêu cầu. Vậy nhà thiết kế nên đặt điện trở kết thúc ở đâu, và điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hành vi của tín hiệu? Đầu tiên, chúng ta cần xem xét liệu chúng ta đang thêm điện trở kết thúc theo dạng nối tiếp hay song song.

Kết thúc Song song (Pull-up, Shunt, hoặc Thevenin)

Kết thúc song song thường được sử dụng để nối tải cuối của đường truyền với mặt đất khi thành phần tải có trở kháng đầu vào cao. Đôi khi, một điện trở pull-up được sử dụng để điều chỉnh mức tín hiệu để phù hợp với bộ nhận. Điện trở shunt và pull-up đôi khi được sử dụng cùng nhau, được gọi là kết thúc Thevenin, điều này điều chỉnh mức tín hiệu tại bộ nhận và thiết lập trở kháng đầu vào của tải để khớp với trở kháng của đường truyền. Kiểm tra bảng dữ liệu thành phần của bạn để xem bạn nên sử dụng phương pháp kết thúc nào trong thiết kế của mình.

Sơ đồ này đặt một bên của điện trở kết thúc ở cuối mạch gần với bộ nhận, trong khi bên kia được nối với mặt phẳng nguồn hoặc mặt đất. Khoảng cách dây dẫn càng lớn từ chân tải đến điện trở, mạch càng dễ bị phản xạ tín hiệu dẫn đến suy giảm tín hiệu. Đây là lý do tại sao điện trở song song nên được đặt càng gần chân tải của bộ nhận càng tốt, và chúng nên có kết nối ngay lập tức trở lại mặt phẳng nguồn/đất thông qua một via.

Kết thúc Dãy

Mục đích của kết thúc dãy là để thiết lập trở kháng đầu ra của bộ điều khiển bằng với trở kháng kết nối của bạn. Trong sơ đồ kết thúc này, một điện trở được đặt ngay trên chân đầu ra của bộ điều khiển. Vì điện trở rất gần với chân đầu ra của bộ điều khiển, trở kháng đầu vào được bộ điều khiển nhìn thấy sẽ xấp xỉ bằng với trở kháng đầu vào của đường truyền.

Các thành phần có số lượng chân cao, như gói BGA, thường không yêu cầu phải kết thúc mỗi chân điều khiển riêng lẻ. Một số giao diện có thể có kết thúc trên chíp, vì vậy không cần điện trở kết thúc bên ngoài. Đối với những chân cần có kết thúc dạng chuỗi, cần phải có một số không gian xung quanh bên ngoài thành phần để áp dụng kết thúc. Tuy nhiên, việc đặt nhiều điện trở kết thúc dạng chuỗi cho một thiết bị quy mô lớn sẽ chiếm nhiều không gian trên bảng mạch xung quanh thiết bị. Điều này đòi hỏi phải lên kế hoạch trước để đảm bảo có đủ không gian mà không cần phải xé bỏ và thay thế các đường dẫn trong bố cục PCB tốc độ cao của bạn.

Dù bạn cần áp dụng loại kết thúc nào, hãy đặt các điện trở gần với các thành phần mà chúng kết thúc. Không đặt chúng ở giữa một đường truyền. Tìm hiểu thêm về các phương pháp kết thúc này trong bài viết này.

Fan-in/Fanout

Việc đấu nối vào và ra khỏi các linh kiện là một phần quan trọng của việc bố trí và đấu nối PCB tốc độ cao. Các linh kiện như quad packs dễ dàng đấu nối vào miễn là các đường mạch được kích thước đúng cách. Lý tưởng nhất, các đường mạch nên được kích thước sao cho chúng có thể đấu nối vào các pad mà không cần giảm kích thước quá nhiều khi có yêu cầu về trở kháng. Nếu giao diện có yêu cầu về trở kháng, tốt nhất là nên cố gắng thiết kế chồng chất sao cho chiều rộng của đường mạch phù hợp với kích thước pad trên các linh kiện. Nếu điều này không thể thực hiện được, chẳng hạn vì lý do chi phí, nó sẽ yêu cầu phải giảm kích thước đường mạch hoặc sử dụng đấu nối đồng mặt phẳng với lớp đồng gần đó. Đấu nối đồng mặt phẳng thường không khả thi, vì vậy tốt nhất là chỉ cố gắng đạt được chiều rộng mục tiêu.

Giảm kích thước từ một đường mạch rộng xuống một chân linh kiện hẹp.

Chúng tôi thích giữ chiều dài cổ hẹp ngắn trên các bus kiểm soát trở kháng do yêu cầu tính toán chiều dài quan trọng. Theo ý kiến của tôi, phương pháp tốt nhất là chỉ thiết kế chồng lớp sao cho yêu cầu chiều rộng dấu vết 50 ohm đã khớp với chiều rộng dấu vết với kích thước pad. Điều này mang lại kết quả tốt nhất khi việc thu hẹp cổ được loại bỏ hoàn toàn. Trong các bus không có quy định về trở kháng, đừng lo lắng trừ khi việc định tuyến trở nên rất dài hoặc bạn đang định tuyến lên một cáp.

Về BGA thì sao? BGA là một gói thành phần mà đôi khi cần thu hẹp cổ trên các bus được chỉ định trở kháng để có thể đưa một dấu vết giữa các pad. Nếu bạn đang thiết kế với BGA, thì có lẽ bạn đã đang đẩy giới hạn khả năng dù trong các gói BGA với khoảng cách 1 mm. Khoảng cách tạo ra yêu cầu kích thước pad, và điều này tạo ra yêu cầu chiều rộng dấu vết để duy trì khoảng cách.

Để đảm bảo bạn có thể đạt được yêu cầu dấu vết trên các bus được chỉ định trở kháng, bạn sẽ cần phải sử dụng vật liệu laminate mỏng hơn. BGA với giao diện được chỉ định trở kháng đẩy độ dày điện môi nhỏ hơn khi khoảng cách càng nhỏ. Để hiểu rõ hơn về điều này, tìm hiểu thêm về BGA fanouts trong bài viết này.

Lập kế hoạch sàn và các chiến lược khác mà chúng tôi đã nói về sẽ giúp bạn có một khởi đầu tốt khi bạn tạo bố cục PCB tốc độ cao của mình. Các công cụ thiết kế PCB tốc độ cao tốt nhất có thể giúp bạn với việc đặt linh kiện cũng như nhiều khía cạnh khác của thiết kế. Phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp, như Altium Designer^®, có đầy đủ công cụ phù hợp cho công việc.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về các hướng dẫn và khả năng bố trí tốc độ cao khác nhau mà Altium cung cấp cho người dùng không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.