Giới thiệu
Thời đại thông tin đã đến, và việc sử dụng PCB ngày càng gia tăng. Các thiết kế PCB đang trở nên phức tạp hơn. Khi các linh kiện điện tử được bố trí gần nhau hơn trên PCB, nhiễu điện trở thành một vấn đề phổ biến. Trong các bảng mạch đa lớp, các lớp tín hiệu và các lớp nguồn hoặc lớp đất phải được tách biệt. Điều này khiến thiết kế cấu trúc lớp và thứ tự các lớp trở nên vô cùng quan trọng. Một cấu trúc xếp lớp hợp lý có thể giảm đáng kể nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu chéo.
Tại sao nên sử dụng bảng mạch nhiều lớp?
So với bảng mạch một lớp, bảng mạch nhiều lớp có thêm các lớp tín hiệu, lớp định tuyến, cùng các mặt phẳng nguồn và mặt phẳng đất riêng biệt. Lợi ích chính là chúng cung cấp điện áp ổn định cho các tín hiệu số. Chúng phân phối nguồn điện đều đặn đến mọi bộ phận. Điều này giúp giảm nhiễu giữa các tín hiệu.
Mặt phẳng nguồn và mặt phẳng đất
Việc sử dụng các vùng đồng lớn cho nguồn điện và một mặt phẳng nối đất liền mạch giúp giảm điện trở của các mặt phẳng này. Điện trở thấp hơn giúp duy trì điện áp của mặt phẳng nguồn ổn định. Điều này giúp mỗi đường tín hiệu duy trì trở kháng đặc trưng của nó. Trở kháng ổn định góp phần giảm phản xạ và giảm nhiễu chéo. Trong thiết kế PCB cao cấp, các nhà thiết kế thường lựa chọn cấu trúc nhiều lớp với hơn sáu lớp. Bảng mạch nhiều lớp vượt trội hơn bảng mạch đơn lớp hoặc ít lớp về hiệu suất điện và khả năng giảm bức xạ điện từ. Chi phí tăng lên khi số lớp nhiều hơn. Giá PCB phụ thuộc vào số lớp và mật độ định tuyến trên một đơn vị diện tích. Nếu bạn cắt giảm số lớp để tiết kiệm chi phí, bạn sẽ mất không gian định tuyến. Điều đó làm tăng mật độ định tuyến. Bạn có thể cần các đường dẫn hẹp hơn và khoảng cách nhỏ hơn để đáp ứng yêu cầu thiết kế. Những thay đổi đó có thể làm tăng chi phí hoặc khiến việc sản xuất bảng mạch trở nên khó khăn hơn. Giảm số lớp có thể giúp giảm chi phí, nhưng cũng có thể làm giảm hiệu suất điện. Lựa chọn đó có thể phản tác dụng.
Dải vi sóng, đường dẫn hồi và mặt phẳng nối đất là các thành phần của đường truyền
Nếu xem bố cục dải vi sóng trên bảng mạch in (PCB) như một mô hình, mặt phẳng nối đất có thể là một phần của đường truyền. Lớp đồng nối đất dưới đường dẫn tín hiệu đóng vai trò là đường dẫn trở về cho tín hiệu. Mặt phẳng cấp nguồn được nối với mặt phẳng nối đất thông qua các tụ điện cách ly trong chế độ AC. Cả hai mặt phẳng này đều hoạt động theo cùng một cách đối với đường dẫn trở về của tín hiệu. Sự khác biệt giữa các vòng dòng điện tần số thấp và tần số cao nằm ở cách dòng điện trở về tìm đường đi. Ở tần số thấp, dòng điện trở về theo đường có điện trở nhỏ nhất. Ở tần số cao, dòng điện trở về theo đường có điện cảm nhỏ nhất. Dòng điện trở về có xu hướng tập trung trực tiếp dưới đường dẫn tín hiệu.
Dòng điện hồi cao tần và khả năng tự che chắn
Ở tần số cao, nếu một đường dẫn nằm ngay phía trên mặt phẳng đất, ngay cả khi có nhiều đường dẫn hồi lưu, dòng điện sẽ quay trở lại dưới đường dẫn tín hiệu trên lớp định tuyến gần nhất dẫn trở về nguồn. Đường dẫn đó có trở kháng thấp nhất. Sử dụng các tụ điện cách ly lớn để nối nguồn với mặt đất sẽ triệt tiêu điện trường nhờ điện dung. Việc làm cho đường dẫn trở về có độ tự cảm thấp sẽ triệt tiêu từ trường. Cặp hiệu ứng này giúp giữ cho điện kháng ròng ở mức thấp. Chúng ta gọi đó là tự che chắn.
Diện tích vòng lặp, khoảng cách và mật độ dòng điện
Từ các phương trình về dòng điện hồi, chúng ta thấy rằng mật độ dòng điện hồi tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ đường dẫn tín hiệu. Khoảng cách càng nhỏ thì diện tích vòng lặp càng nhỏ và độ tự cảm càng nhỏ. Chúng ta cũng có thể thấy rằng nếu đường tín hiệu và đường hồi gần nhau, các dòng điện trong chúng sẽ có cường độ tương đương và hướng ngược nhau. Các từ trường của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong vùng không gian gần. Điều này làm cho nhiễu điện từ bên ngoài (EMI) rất nhỏ. Trong thiết kế xếp lớp, tốt nhất là đặt một lớp mặt đất gần mỗi lớp tín hiệu.
Hiện tượng nhiễu chéo do độ tự cảm lẫn nhau gây ra
Trong hiện tượng nhiễu chéo mặt phẳng đất, các mạch tần số cao gây ra nhiễu chéo chủ yếu thông qua hiện tượng ghép cảm. Theo công thức tính dòng điện hồi, hai đường dẫn tín hiệu nằm gần nhau sẽ tạo thành các vòng dòng điện chồng chéo lên nhau. Những vòng dòng điện chồng chéo này gây ra nhiễu từ trường. Hệ số ghép K trong công thức phụ thuộc vào thời gian tăng của tín hiệu và chiều dài của đường dẫn gây nhiễu. Trong cấu trúc xếp chồng, việc đưa lớp tín hiệu và mặt phẳng đất lại gần nhau hơn sẽ giảm thiểu nhiễu từ mặt phẳng đất.
Đường dẫn đồng, đường phân nhánh và tường cách ly
Trong quá trình bố trí mạch, khi các nhà thiết kế đổ đồng cho đường nguồn và đường đất, họ phải cẩn thận để không tạo ra “bức tường cách ly” trong khu vực đổ đồng. Vấn đề này thường xuất phát từ việc có quá nhiều lỗ vias hoặc kế hoạch cách ly lỗ vias không hợp lý. Hậu quả có thể là tốc độ tăng dốc biên chậm, diện tích vòng lặp lớn hơn, độ tự cảm cao hơn, cũng như hiện tượng nhiễu chéo và nhiễu điện từ (EMI) gia tăng.
Mật độ lỗ via và các rào cản via có thể chia mặt phẳng đất thành các “hòn đảo”. Các “hòn đảo” này buộc dòng điện trở về phải đi theo một đường dài hơn. Điều này làm tăng diện tích vòng lặp và độ tự cảm. Để tránh điều này, hãy thiết kế vị trí đặt lỗ via và việc chia mặt phẳng sao cho dòng điện trở về có thể lưu thông trơn tru. Khi bạn phải chia tách các mặt phẳng cho các điện áp khác nhau, hãy bố trí các lỗ via nối và giữ các thành phần tách điện áp gần các thiết bị.
Kết hợp các dòng đồng để cân bằng quy trình
Khi bố trí đồng trên bảng mạch, hãy cố gắng sắp xếp các vùng đồng đổ thành từng cặp để đảm bảo cân bằng trong quá trình sản xuất. Đây là một vấn đề quan trọng trong sản xuất PCB. Sự mất cân bằng về đồng có thể khiến bảng mạch bị cong vênh. Đối với mỗi lớp tín hiệu, tốt nhất nên có một lớp đồng đổ tương ứng làm lớp lân cận. Khoảng cách giữa mặt phẳng nguồn dòng điện cao và vùng đổ đồng gần đó ảnh hưởng đến độ ổn định và nhiễu điện từ (EMI). Trong thiết kế bảng mạch tốc độ cao, việc thêm các lớp đất bổ sung để tách biệt các lớp tín hiệu là rất phổ biến. Các lớp đất bổ sung này đóng vai trò như lớp chắn và giúp giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI).
Tách rời và đường truyền ngược gần nguồn
Hãy đặt các tụ bù gần các chân cấp nguồn của thiết bị. Các tụ bù nối các mặt phẳng nguồn và mặt phẳng đất lại với nhau ở tần số cao. Việc bù tốt sẽ tạo ra một đường dẫn trở về ngắn gần thiết bị. Điều này giúp giảm diện tích vòng lặp và giảm độ tự cảm. Các vòng lặp ngắn giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu chéo.
Kiểm soát trở kháng và các đặc tính của đường dẫn
Kiểm soát trở kháng đường dẫn có nghĩa là duy trì hình dạng đường dẫn và các tính chất điện môi ổn định. Trở kháng ổn định giúp tín hiệu rõ ràng và giảm hiện tượng phản xạ. Để kiểm soát trở kháng, hãy đặt đường dẫn trên một mặt phẳng tham chiếu đồng nhất và duy trì khoảng cách cũng như hằng số điện môi ổn định. Mặt phẳng tham chiếu nối đất ngay dưới đường dẫn sẽ mang lại hiệu suất tốt cho mạch microstrip hoặc stripline. Điều này có lợi cho cả các cặp tín hiệu đơn đầu và cặp tín hiệu vi sai.
Các cặp vi sai và nhiễu chế độ chung
Các cặp dây vi sai cần có khoảng cách hẹp và mặt phẳng tham chiếu vững chắc để duy trì trở kháng vi sai ổn định. Truyền tín hiệu vi sai giúp giảm nhiễu chế độ chung nếu cặp dây được bố trí hợp lý. Cần giữ cặp dây sát nhau, tránh các nhánh phụ và duy trì mặt phẳng trở về ở gần. Điều này giúp giảm cả nhiễu điện từ bức xạ (EMI) lẫn nhiễu chéo sang các mạng lân cận.
Các quy tắc định tuyến và sự cân bằng giữa số lớp
Khi số lớp giảm, không gian bố trí mạch cũng giảm theo. Điều này buộc các nhà thiết kế phải thu hẹp chiều rộng đường dẫn và khoảng cách giữa các đường dẫn. Mật độ bố trí mạch cao hơn như vậy có thể làm tăng hiện tượng nhiễu chéo và biến động trở kháng. Trong nhiều thiết kế, lựa chọn đúng đắn là chấp nhận số lớp cao hơn để việc bố trí mạch trở nên dễ dàng hơn và duy trì hiệu suất điện. Chi phí cho việc tăng số lớp là có thật, nhưng tính toàn vẹn tín hiệu kém có thể gây tốn kém hơn về thời gian gỡ lỗi và các sự cố sản phẩm.
Bảng mạch tốc độ cao và các lớp nối đất bổ sung
Các bảng mạch tốc độ cao sẽ được hưởng lợi khi bổ sung các lớp đất để cách ly các lớp tín hiệu. Điều này giúp giảm hiện tượng ghép nối giữa các tín hiệu trên các lớp khác nhau. Các lớp đất bổ sung này đóng vai trò như lớp chắn. Chúng cung cấp một đường dẫn hồi lưu có độ tự cảm thấp ở gần đó. Điều này giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) và làm cho thời gian truyền tín hiệu trở nên dễ dự đoán hơn.
Những lời khuyên thiết thực về việc xếp chồng và định tuyến
- Đặt một lớp mặt phẳng nối đất chắc chắn gần mỗi lớp tín hiệu tốc độ cao.
- Sử dụng các lớp phân phối điện có vùng đồng rộng và đảm bảo chúng có điện trở thấp.
- Đặt các tụ cách ly gần các chân cấp nguồn và nối nguồn với đất bằng các đường dẫn ngắn.
- Tránh chia mạch in dưới các đường dẫn tín hiệu tốc độ cao. Nếu bắt buộc phải chia, hãy thêm các lỗ nối (stitching vias) gần đường dẫn tín hiệu.
- Hãy chú ý đến mật độ để tránh tạo ra các khoảng trống trên mặt phẳng.
- Hãy giữ cho các dấu vết ngắn gọn và tránh sử dụng các đoạn mã không hoàn chỉnh.
- Sử dụng các cặp vi sai cho các tín hiệu cần khả năng chống nhiễu.
- Hãy chọn cách xếp chồng sao cho đường truyền trở về ngắn và diện tích vòng lặp nhỏ.
- Cân bằng lượng đồng trên các lớp ngoài để giảm hiện tượng cong vênh.
Tóm tắt
Khi các thiết bị điện tử ngày càng trở nên nhỏ gọn hơn, nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu chéo (crosstalk) trở thành những vấn đề nghiêm trọng hơn. Các bảng mạch in nhiều lớp (PCB) cung cấp các giải pháp để giải quyết những vấn đề này. Các lớp nguồn và lớp đất, các vùng đồng đổ đôi, cấu trúc xếp lớp chặt chẽ và việc cách ly tốt đều góp phần giải quyết vấn đề. Một kế hoạch bố trí lớp và quy trình định tuyến cẩn thận sẽ giúp giảm diện tích vòng lặp và độ tự cảm. Điều này giúp giảm thiểu EMI và nhiễu chéo. Cuối cùng, việc lựa chọn cấu trúc lớp và định tuyến hợp lý sẽ tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách giảm thiểu rủi ro gỡ lỗi và hỏng hóc.
