Prinsip Desain PCB Papan Kontrol Mikrokontroler Single-Chip

Proses paling dasar dalam mendesain papan sirkuit dapat dibagi menjadi tiga langkah: desain skematik sirkuit, pembuatan netlist, dan desain papan sirkuit tercetak. Tidak peduli itu adalah tata letak perangkat di papan atau pengkabelan, dll., ada persyaratan khusus.

Misalnya, pengkabelan input dan output harus dihindari sebanyak mungkin untuk menghindari gangguan. Perutean paralel dari dua jalur sinyal harus diisolasi dengan ground, dan dua lapisan pengkabelan yang berdekatan harus sedapat mungkin saling tegak lurus. Kopling parasit dapat dengan mudah terjadi secara paralel. Kabel daya dan ground harus dipisahkan menjadi dua lapisan sejauh mungkin dan saling tegak lurus. Dalam hal lebar garis, kabel ground yang lebar dapat digunakan sebagai loop untuk PCB sirkuit digital untuk membentuk jaringan ground (sirkuit analog tidak dapat digunakan dengan cara ini), dan area tembaga yang luas digunakan.

Artikel berikut menjelaskan prinsip-prinsip dan beberapa detail yang perlu diperhatikan dalam desain PCB dari papan kontrol mikrokontroler.

1. Tata letak komponen

Dalam hal tata letak komponen, komponen terkait harus ditempatkan sedekat mungkin. Misalnya, generator jam, osilator kristal, dan input jam CPU semuanya rentan terhadap noise, dan harus ditempatkan lebih dekat. Untuk perangkat yang rentan terhadap noise, sirkuit berarus rendah, sirkuit switching berarus tinggi, dll., jauhkan mereka dari sirkuit kontrol logika dan sirkuit penyimpanan (ROM, RAM) dari mikrokontroler sebanyak mungkin. Jika memungkinkan, sirkuit ini dapat dibuat menjadi sirkuit. Papan, ini kondusif untuk anti-interferensi dan meningkatkan keandalan kerja sirkuit.

2. Kapasitor decoupling

Cobalah untuk memasang kapasitor decoupling di sebelah komponen kunci, seperti ROM, RAM, dan chip lainnya. Faktanya, jejak papan sirkuit tercetak, koneksi pin dan pengkabelan, dll. dapat mengandung efek induktansi yang besar. Induktansi yang besar dapat menyebabkan lonjakan noise switching yang parah pada jejak Vcc. Satu-satunya cara untuk mencegah lonjakan noise switching pada jejak Vcc adalah dengan menempatkan kapasitor decoupling elektronik 0,1uF antara VCC dan ground daya. Jika komponen pemasangan permukaan digunakan pada papan sirkuit, kapasitor chip dapat digunakan langsung terhadap komponen dan dipasang pada pin Vcc. Sebaiknya gunakan kapasitor keramik, karena jenis kapasitor ini memiliki kehilangan elektrostatik (ESL) yang lebih rendah dan impedansi frekuensi tinggi, dan suhu serta waktu stabilitas dielektrik kapasitor juga sangat baik. Cobalah untuk tidak menggunakan kapasitor tantalum, karena impedansinya lebih tinggi pada frekuensi tinggi.

Perhatikan poin-poin berikut saat menempatkan kapasitor decoupling:

Hubungkan kapasitor elektrolit 100uF di seluruh ujung input daya dari papan sirkuit tercetak. Jika volumenya memungkinkan, kapasitansi yang lebih besar lebih baik.

Pada prinsipnya, kapasitor keramik 0,01uF perlu ditempatkan di sebelah setiap chip sirkuit terpadu. Jika celah papan sirkuit terlalu kecil untuk dipasang, Anda dapat menempatkan kapasitor tantalum 1-10 untuk setiap 10 chip.

Untuk komponen dengan kemampuan anti-interferensi yang lemah dan perubahan arus yang besar saat dimatikan, dan komponen penyimpanan seperti RAM dan ROM, kapasitor decoupling harus dihubungkan antara saluran daya (Vcc) dan saluran ground.

Timbal kapasitor tidak boleh terlalu panjang, terutama kapasitor bypass frekuensi tinggi tidak dapat mengambil timbal.

3. Desain kabel ground

Dalam sistem kontrol chip tunggal, ada banyak jenis kabel ground, seperti ground sistem, ground perisai, ground logika, ground analog, dll. Tata letak kabel ground yang masuk akal akan menentukan kemampuan anti-interferensi dari papan sirkuit. Saat mendesain kabel ground dan titik grounding, masalah berikut harus dipertimbangkan:

Ground logika dan ground analog harus dikabelkan secara terpisah dan tidak dapat digunakan bersama. Hubungkan kabel ground masing-masing ke kabel ground daya yang sesuai. Saat mendesain, kabel ground analog harus setebal mungkin, dan area grounding terminal harus diperbesar sebanyak mungkin. Secara umum, yang terbaik adalah mengisolasi sinyal analog input dan output dari sirkuit mikrokontroler melalui optocoupler.

Saat mendesain papan sirkuit tercetak dari sirkuit logika, kabel ground harus membentuk loop tertutup untuk meningkatkan kemampuan anti-interferensi dari sirkuit.

Kabel ground harus setebal mungkin. Jika kabel ground sangat tipis, resistansi kabel ground akan besar, menyebabkan potensi ground berubah dengan perubahan arus, menyebabkan level sinyal menjadi tidak stabil, yang mengakibatkan penurunan kemampuan anti-interferensi dari sirkuit. Ketika ruang pengkabelan memungkinkan, pastikan bahwa lebar kabel ground utama setidaknya 2-3mm, dan kabel ground pada pin komponen harus sekitar 1,5mm.

Perhatikan pilihan titik grounding. Ketika frekuensi sinyal pada papan sirkuit lebih rendah dari 1MHz, karena induksi elektromagnetik antara pengkabelan dan komponen memiliki sedikit pengaruh, dan sirkulasi yang dibentuk oleh sirkuit grounding memiliki pengaruh yang lebih besar pada interferensi, perlu menggunakan grounding titik sehingga tidak membentuk loop. Ketika frekuensi sinyal pada papan sirkuit lebih tinggi dari 10MHz, karena efek induktansi yang jelas dari desain pengkabelan PCB, impedansi ground menjadi sangat besar, dan arus sirkulasi yang dibentuk oleh sirkuit ground tidak lagi menjadi masalah utama. Oleh karena itu, grounding multi-titik harus digunakan untuk meminimalkan impedansi ground.

4. Lainnya

· Selain tata letak saluran daya, lebar jejak harus setebal mungkin sesuai dengan ukuran arus. Dalam desain tata letak PCB, arah perutean saluran daya dan saluran ground harus konsisten dengan perutean saluran data. Bekerja dalam desain tata letak PCB Pada akhirnya, gunakan kabel ground untuk menutupi bagian bawah papan sirkuit di mana tidak ada jejak. Semua metode ini membantu meningkatkan kemampuan anti-interferensi dari sirkuit.

Lebar saluran data harus selebar mungkin untuk mengurangi impedansi. Lebar saluran data setidaknya tidak kurang dari 0,3mm (12mil), dan lebih ideal jika 0,46~0,5mm (18mil~20mil) digunakan.

Karena lubang melalui pada papan sirkuit akan membawa efek kapasitansi sekitar 10pF, yang akan memperkenalkan terlalu banyak interferensi untuk sirkuit frekuensi tinggi, jadi ketika desain tata letak PCB, jumlah lubang melalui harus dikurangi sebanyak mungkin. Lebih lanjut, terlalu banyak vias juga akan mengurangi kekuatan mekanik papan sirkuit.