Không Bao Giờ Vượt Qua Khe Hở Mặt Đất trong Thiết Kế PCB Tốc Độ Cao

Tôi thường xuyên theo dõi các diễn đàn về điện tử và PCB, và tôi thấy cùng một câu hỏi được đặt đi đặt lại: Tại sao tôi không nên đặt một đường dẫn qua một khe hở trên mặt đất của mình? Câu hỏi này được mọi người từ những người làm đồ handmade đến các nhà thiết kế chuyên nghiệp mới bắt đầu tìm hiểu về thiết kế PCB tốc độ cao đặt ra. Đối với kỹ sư đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu chuyên nghiệp, câu trả lời nên rõ ràng.

Dù bạn là một kỹ sư bố trí PCB lâu năm hay một nhà thiết kế không chuyên, việc hiểu câu trả lời cho câu hỏi này là hữu ích. Câu trả lời luôn được đưa ra dưới dạng một phát biểu luôn/không bao giờ. Tôi không thích đưa ra câu trả lời một cách tuyệt đối cho các câu hỏi về thiết kế PCB, nhưng trong trường hợp này câu trả lời rõ ràng: Không bao giờ đặt một tín hiệu qua một khe hở trên mặt đất. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn và hiểu vì sao bạn không nên đặt một đường dẫn qua một khe hở trên mặt đất.

Khe Hở Mặt Đất: Thiết Kế Tốc Độ Thấp và Cao

Việc trả lời câu hỏi này đòi hỏi phải xem xét cách thức các tín hiệu hoạt động ở DC, tốc độ thấp và tốc độ cao. Điều này là bởi vì mỗi loại tín hiệu sẽ tạo ra một đường dẫn trở lại khác nhau trên mặt phẳng tham chiếu này. Đường dẫn trở lại mà tín hiệu của bạn theo dõi sẽ có một số ảnh hưởng quan trọng đến EMI được tạo ra bên trong bảng mạch, cũng như khả năng một mạch cụ thể dễ bị ảnh hưởng bởi EMI. Để hiểu rõ hơn về cách đường dẫn trở lại hình thành trong PCB của bạn, hãy xem bài viết này, cũng như hướng dẫn hữu ích từ Francesco Poderico.

Nếu bạn hiểu cách dòng điện trở lại hình thành trong PCB của mình, thì việc nhìn thấy nó ảnh hưởng như thế nào đến EMI và tính toàn vẹn tín hiệu trở nên dễ dàng. Đây là lý do tại sao nó quan trọng - và nó liên quan đến việc định tuyến qua một khoảng trống mặt đất. Vòng lặp được tạo ra bởi dòng điện trở lại trong bảng mạch của bạn xác định hai hành vi quan trọng:

• Khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi EMI. Vòng lặp được tạo ra bởi dòng điện cung cấp và trở lại trong một mạch xác định khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi EMI của bảng mạch. Một mạch với vòng lặp dòng điện lớn sẽ có độ tự cảm nhiễu lớn hơn, khiến nó dễ bị ảnh hưởng bởi EMI bức xạ.

• Hiện tượng rung trong tín hiệu chuyển mạch. Độ tự cảm nhiễu trong mạch quyết định mức độ giảm xóc mà phản ứng chuyển tiếp trong mạch trải qua khi một tín hiệu chuyển đổi giữa các mức. Khi kết hợp với dung lượng nhiễu trong mạch của bạn, hai đại lượng này xác định tần số tự nhiên của phản ứng chuyển tiếp và tần số dao động giảm xóc.

Hãy xem xét chi tiết về tín hiệu DC, tốc độ thấp và tốc độ cao:

Điện áp/Dòng DC

Khi một bảng mạch hoạt động bằng nguồn DC, dòng điện trở lại sẽ không được tạo ra ngay dưới đường dẫn tín hiệu; nó sẽ theo một đường thẳng trở lại điểm trở về của nguồn cung cấp. Điều này có nghĩa là bạn cơ bản không kiểm soát được đường dẫn trở lại, và bảng mạch có thể dễ bị ảnh hưởng bởi EMI do độ tự cảm nhiễu lớn. Người ta có thể nghĩ rằng, vì nguồn cung cấp không chuyển đổi, sẽ không có dao động chuyển tiếp, do đó không quan trọng nếu một đường dẫn microstrip được định tuyến qua một khoảng trống của mặt đất. Mặc dù không có dao động, vẫn còn vấn đề về sự nhạy cảm với EMI. Bạn nên cố gắng giữ cho độ tự cảm vòng DC thấp nhất có thể, và tránh định tuyến qua một khoảng trống của mặt đất là ý tưởng tốt nhất để giảm độ tự cảm vòng.

Tín hiệu Tốc độ Thấp

Giống như tín hiệu DC, đường trở về quyết định độ tự cảm của vòng mạch, điều này quyết định khả năng nhạy cảm với EMI và sự giảm xóc trong phản ứng chuyển tiếp. Nếu độ tự cảm của vòng lớn, tốc độ giảm xóc sẽ thấp hơn và giống như trường hợp với tín hiệu DC, việc định tuyến qua một khoảng trống của mặt đất tăng độ tự cảm của vòng, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu, tính toàn vẹn của nguồn và EMI.

Thật không may, tín hiệu tốc độ thấp giờ đây có phần như là một di tích, và mọi bảng mạch sử dụng TTL và logic nhanh hơn sẽ hoạt động như một mạch tốc độ cao. Với tín hiệu tốc độ thấp (thường là thời gian tăng 10’s của ns và chậm hơn), biên độ dao động trong một mạch cụ thể thường đủ thấp đến mức nó không được chú ý. Do đó, miễn là tín hiệu không được định tuyến qua một khoảng trống của mặt đất, độ tự cảm của vòng thường đủ thấp để ngăn chặn dao động mạnh, khả năng nhạy cảm với EMI, và các vấn đề liên quan đến tính toàn vẹn của nguồn (xem bên dưới).

Tín Hiệu Tốc Độ Cao

Nếu tôi lấy một bảng mạch được thiết kế để chạy ở tốc độ thấp và tôi chạy nó với tín hiệu tốc độ cao, biên độ dao động sẽ lớn hơn cho một vòng mạch cụ thể có độ tự cảm. Một lần nữa, điều này minh họa cho nhu cầu giữ độ tự cảm trong bảng mạch càng nhỏ càng tốt. Mục tiêu là cung cấp càng nhiều sự giảm xóc càng tốt nhằm giảm biên độ dao động trong một kết nối cụ thể. Một lần nữa, việc định tuyến qua một khoảng trống của mặt đất sẽ tránh tăng độ tự cảm của vòng. Ngoài ra, một mặt đất nên được đặt dưới lớp tín hiệu chứa mạch tốc độ cao để đảm bảo độ tự cảm là thấp nhất có thể trong suốt một kết nối.

Ví dụ về đường trở lại cho một tín hiệu được định tuyến qua một khoảng trống mặt đất.

Một cách khác để xem xét một khoảng trống mặt đất là như một sự không liên tục về trở kháng. Nếu một tín hiệu được định tuyến qua một khoảng trống mặt đất, trở kháng của khu vực trên khoảng trống sẽ lớn hơn trở kháng của phần còn lại của kết nối. Điều này dẫn đến phản xạ tín hiệu ngoài vấn đề dao động tăng lên đã được đề cập ở trên. Hãy xem bài viết này từ Signal Integrity Journal để tìm hiểu thêm về khía cạnh này của việc truyền tín hiệu tốc độ cao qua một khoảng trống mặt đất.

Mọi điều đã đề cập ở trên liên quan đến tín hiệu số cũng áp dụng tương tự cho tín hiệu tương tự. Các vấn đề về tín hiệu biến thiên đã đề cập ở trên liên quan đến vấn đề tính toàn vẹn nguồn điện, đặc biệt là trên các bảng mạch sử dụng các thành phần có số lượng cổng/chân cao. Lớp xếp chồng nên được thiết kế cụ thể để hỗ trợ các thành phần nhanh hơn TTL (xem bên dưới).

Đường Ray Nguồn và Khoảng Trống Mặt Đất

Lưu ý rằng chúng ta đã xem xét điều này trong thuật ngữ tính toàn vẹn tín hiệu, nhưng cùng một ý tưởng cũng áp dụng cho tính toàn vẹn nguồn điện. Giống như các đường dẫn microstrip không nên được đặt qua một khoảng trống mặt đất, bạn cũng nên tránh đặt đường ray nguồn trên lớp bề mặt qua một khoảng trống mặt đất. Nếu bạn cung cấp nguồn điện DC cho một IC số, IC sẽ rút một số dòng điện từ nguồn cung cấp khi nó chuyển đổi giữa trạng thái BẬT và TẮT. Điều này sẽ tạo ra một sóng điện áp trên đường ray nguồn.

Phản ứng tạm thời cụ thể này trong điện áp cung cấp có biểu hiện như một dao động giảm dần. Biên độ của nó tỉ lệ thuận với trở kháng của PDN và tỉ lệ nghịch với mức độ giảm xóc trong PDN. Giống như việc giảm xóc tỉ lệ nghịch với độ tự cảm của vòng trong một kết nối PCB tiêu chuẩn, điều tương tự cũng áp dụng cho phản ứng tạm thời trong PDN. Điều này có nghĩa là bạn có thể giảm phản ứng tạm thời trên đường ray điện nếu bạn giữ cho độ tự cảm của vòng nhỏ. Cách tốt nhất để làm điều này là đặt mặt đất trên một lớp ngay cạnh mặt phẳng điện và tránh định tuyến bất kỳ đường ray điện nào qua bất kỳ khoảng trống mặt đất nào.

Nếu bạn đang làm việc với một bảng mạch hai lớp và bạn không có chỗ cho các mặt đất, bạn nên lên kế hoạch cẩn thận cho các đường trở về trên bảng mạch của mình để giữ cho độ tự cảm của vòng lặp nhỏ. Một lựa chọn là sử dụng một bố cục lưới của các khu vực mặt đất trên cả hai lớp trên và dưới và kết nối chúng với vias. Tuy nhiên, nếu bạn đang làm việc với các tín hiệu tốc độ cao (TTL và nhanh hơn), bạn sẽ thấy sự biến động lớn về điện áp trên các đường ray nguồn do điện dung không đủ trong PDN. Đây là lý do chính mà các mặt đất và mặt nguồn được đặt trên các lớp liền kề trong các bảng mạch tốc độ cao, và mặt đất được đặt ngay dưới lớp tín hiệu/thành phần.

Các công cụ thiết kế và phân tích PCB mạnh mẽ trong Altium Designer^® được xây dựng dựa trên một động cơ thiết kế tuân theo quy tắc thống nhất, cho phép bạn kiểm tra hiệu suất của bảng mạch khi bạn tạo bố cục. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và chuẩn bị các tài liệu giao hàng cho nhà sản xuất của bạn.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố cục, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.