Cách Thiết Kế Bố Trí Chân Kết Nối Cho PCB của Bạn

Đầu nối DVI được hiển thị ở trên có một bố trí chân cụ thể mà bạn phải thực hiện khi định tuyến một đầu nối nếu bạn muốn sử dụng giao diện này trên PCB của mình. Điều tương tự cũng áp dụng cho bất kỳ đầu nối nào khác được sử dụng để cung cấp nguồn, mặt đất và tín hiệu qua một giao diện tiêu chuẩn. Ethernet, USB, HDMI và nhiều giao thức khác có một bố trí chân cụ thể mà bạn nên sử dụng để đảm bảo khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau.

Mặc dù bố trí chân cho các giao thức phổ biến được chuẩn hóa, có những lúc bạn có nhiều tự do để thiết kế một bố trí chân tùy chỉnh. Giả sử bạn đang thiết kế một kết nối từ bo mạch này sang bo mạch khác hoặc một giao diện tùy chỉnh với một bo mạch khác; bạn có tự do thiết kế kết nối theo cách bạn muốn. Vậy bạn nên làm điều này như thế nào, và bạn nên chú ý điều gì trong thiết kế bố trí chân của đầu nối? Chúng tôi sẽ đi qua một số điểm thiết kế quan trọng xung quanh đầu nối trong bài viết này.

Bắt đầu Thiết kế Bố trí Chân của Đầu Nối

Có một số điểm quan trọng cần xem xét trong thiết kế bố trí chân của đầu nối của bạn, như:

• Chiều dài của kết nối bạn cần thực hiện là bao nhiêu? Đó là một kết nối ngắn từ bo mạch này sang bo mạch khác, hay bạn đang truyền tín hiệu qua một cáp dài?
• Bạn đang làm việc với tần số nào (đối với tín hiệu analog), hay thời gian tăng tín hiệu là bao lâu (đối với tín hiệu số)?
• Bạn có đang định tuyến các cặp tín hiệu vi sai hay tín hiệu đơn cuối?
• Bạn có cần đạt được mục tiêu trở kháng cụ thể, hay kết nối ngắn đến mức trở kháng không quan trọng?

Điều thú vị là việc định tuyến qua một kết nối không khác nhiều so với việc định tuyến trên một PCB. Bạn có thể gặp phải cùng một vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, vấn đề không khớp trở kháng, và vấn đề mất tín hiệu như bạn có thể thấy trong một PCB tốc độ cao.

Nếu bạn chưa bao giờ thiết kế một bảng chốt, hoặc bạn tự hỏi tại sao bảng phát triển yêu thích của bạn sử dụng một bảng chốt cụ thể, việc phân tích một số trường hợp cụ thể sẽ giúp ích. Bây giờ, tôi sẽ xem xét điều gì xảy ra với các tần số và loại tín hiệu khác nhau, và chúng ta có thể xác định một số phương pháp thiết kế tốt cho bảng chốt của một kết nối..

Kết nối DC

Nếu bạn chỉ đang kết nối DC giữa hai bảng mạch hoặc qua một cáp, điều cần quan tâm chính là tổng dòng điện bạn cần truyền. Các loại đầu nối như pin headers và các loại đầu nối nhẹ khác có thể chịu được một dòng điện tối đa nhỏ cho mỗi chân (~1 A là điển hình). Nếu bạn cần truyền dòng điện lớn hơn cho một điện áp nhất định, thì điện áp đó cần được phân bổ qua nhiều chân. Một việc khác bạn có thể làm là truyền nhiều điện áp qua một đầu nối duy nhất, đây là cách tiếp cận giống như được sử dụng trong nguồn cấp điện máy tính để bàn.

Đầu nối pin cho hệ thống DC nên truyền tín hiệu mặt đất dọc theo kết nối. Hãy chú ý đến tín hiệu mặt đất này vì đây là mặt phẳng tham chiếu trên bo mạch, và nó sẽ cần phải truyền dòng điện trở lại, vì vậy bạn nên xác định kích thước dây dẫn và số lượng dây dẫn một cách phù hợp. Bạn được khuyến nghị không nên cố gắng sử dụng kết nối GND để kết nối hai mặt đất khác nhau trên hai bảng mạch khác nhau, đặc biệt nếu chúng nằm trên các mạch lưới khác nhau và cách xa nhau một khoảng. Bạn có nguy cơ tạo ra một mạch ngắn giữa hai điểm mà dòng điện qua nó lớn đến mức có thể làm tan chảy cáp. Điều này xảy ra do sự chênh lệch mặt đất DC tự nhiên tồn tại giữa các điểm khác nhau trong một lưới điện.

Tần số Thấp/Tốc độ Thấp

Hy vọng rằng đến bây giờ, bạn đã nhận ra rằng tần số thấp và tốc độ thấp đều tương đối: điều quan trọng là chiều dài của kết nối và liệu có cần trở kháng hay không. Đối với một bus số tốc độ thấp, ở khoảng 5-10 ns, bạn có thể không cần phải lo lắng về những vấn đề như nhiễu chéo hay phản xạ miễn là kết nối đủ ngắn và bạn bao gồm ít nhất 1 dây GND trong bố cục chân kết nối. Đảm bảo nếu bạn đang cấp nguồn vào bố cục chân kết nối thì bạn phải tuân theo cùng một quy tắc như đối với các kết nối DC.

Trên các loại đầu nối hoặc các kết nối khác có số lượng chân cao, một số tín hiệu sẽ trở thành nguồn gây nhiễu điện từ (EMI) khi chúng cách xa một chân nối đất. Tương tự, những tín hiệu đó có thể dễ dàng nhận crosstalk, đặc biệt là khi bạn sử dụng cáp ribbon hoặc các loại cáp phẳng khác. Ví dụ dưới đây sử dụng một đầu nối 14 chân có đất xen kẽ giữa một số IO. Bằng cách đặt GND giữa các nhóm chân, GND sẽ cung cấp bảo vệ chống nhiễu và giúp chặn EMI. Ví dụ này có thể được sử dụng với một đầu nối dài nếu cần. Đối với kết nối từ bo mạch này sang bo mạch khác, bạn hoàn toàn có thể loại bỏ một số chân GND và bạn vẫn sẽ ổn từ góc độ nhiễu chỉ vì khoảng cách quá ngắn.

Tần số Cao/Tốc độ Cao

Với các tín hiệu tốc độ cao/tần số cao, một cách sắp xếp chân tương tự như trên vẫn ổn, nhưng bạn thường xuyên phải làm việc với các cặp tín hiệu vi sai. Trong trường hợp này, tốt nhất là cung cấp các cặp chân nối đất để ngăn chặn sự nhiễu xuyên âm giữa các cặp tín hiệu vi sai. Dù trong trường hợp nào, nhiều chân nối đất hơn cũng là lợi ích vì chúng cung cấp thêm sự che chắn và giúp giảm thiểu bất kỳ sự không khớp trở kháng nào có thể phát sinh. Đối với các tần số cao, như trong phạm vi GHz, bạn sẽ không (hoặc ít nhất là bạn không nên) sử dụng một loại đầu nối chân đơn giản nữa. Một kết nối đồng trục (U.FL) sẽ là lựa chọn tốt nhất cho tín hiệu RF, trong khi các tín hiệu khác và nguồn điện có thể được định tuyến qua các kết nối riêng của chúng.

Chọn Lựa Kết Nối

Nếu bạn cần tìm một loại kết nối có thể xử lý dòng điện, tần số/băng thông, tiêu chuẩn tín hiệu cụ thể hoặc tất cả những yếu tố trên, thị trường có rất nhiều lựa chọn kết nối. Hãy chắc chắn kiểm tra bảng dữ liệu để biết các thông số quan trọng; bạn cũng có thể đọc hướng dẫn trên Octopart từ liên kết này. Nếu bạn không chắc chắn nên sử dụng kết nối nào, hãy truy cập trang web của nhà sản xuất kết nối; họ sẽ gắn nhãn sản phẩm theo ứng dụng (dòng điện cao, RF/microwave, v.v.) để bạn có thể thu hẹp lựa chọn thành phần tốt nhất cho thiết kế của mình.

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, hãy chú ý đến bất kỳ vỏ bảo vệ nào và chân số 1 khi bạn sắp xếp bố trí chân kết nối cho các thành phần của mình! Bạn sẽ ngạc nhiên khi biết rằng bố trí chân kết nối tùy chỉnh thường xuyên bị đảo ngược giữa hai kết nối có vỏ bảo vệ, và không có cách nào để sửa chữa trên một bảng mạch hoàn chỉnh; bạn sẽ phải tái tạo cáp thay vì vậy. Đây là một trong những việc mà có thể bạn sẽ cần có các kết nối trước mắt để đảm bảo bạn đang xác định bố trí chân kết nối một cách chính xác.

Sau khi bạn đã chọn được một loại kết nối cho PCB và thiết kế bố trí chân kết nối của mình, bạn có thể bắt đầu xây dựng sơ đồ mạch sử dụng chương trình thiết kế PCB như CircuitMaker. Người dùng có thể tạo ra các biểu tượng sơ đồ tùy chỉnh cho bố trí chân kết nối của họ, hoặc bạn cũng có thể tìm thấy các kết nối tiêu chuẩn từ cơ sở dữ liệu linh kiện có sẵn. Tất cả người dùng CircuitMaker cũng có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365, nơi họ có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế trên đám mây, và dễ dàng xem các dự án qua trình duyệt web trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngay hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro từ Altium mới.