หลักการออกแบบ PCB ของบอร์ดควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ชิปเดียว

กระบวนการพื้นฐานที่สุดในการออกแบบแผงวงจรสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: การออกแบบผังวงจร การสร้าง netlist และการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ไม่ว่าจะเป็นการวางอุปกรณ์บนบอร์ดหรือการเดินสาย ฯลฯ มีข้อกำหนดเฉพาะ

ตัวอย่างเช่น ควรหลีกเลี่ยงการเดินสายอินพุตและเอาต์พุตให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน การเดินสายขนานของสายสัญญาณสองเส้นต้องมีการแยกกราวด์ และควรวางสายไฟสองชั้นที่อยู่ติดกันให้ตั้งฉากกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การเชื่อมต่อแบบปรสิตสามารถเกิดขึ้นได้ง่ายในแบบขนาน ควรแยกสายไฟและสายดินออกเป็นสองชั้นให้ไกลที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และตั้งฉากกัน ในแง่ของความกว้างของสายไฟ สามารถใช้สายดินกว้างเป็นวงสำหรับ PCB วงจรดิจิทัลเพื่อสร้างเครือข่ายกราวด์ (ไม่สามารถใช้วงจรอะนาล็อกในลักษณะนี้ได้) และใช้ทองแดงพื้นที่ขนาดใหญ่

บทความต่อไปนี้อธิบายหลักการและรายละเอียดบางอย่างที่ต้องใส่ใจในการออกแบบ PCB ของบอร์ดควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์

1. การจัดวางส่วนประกอบ

ในแง่ของการจัดวางส่วนประกอบ ควรวางส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องให้ใกล้เคียงกันมากที่สุด ตัวอย่างเช่น เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา ออสซิลเลเตอร์คริสตัล และอินพุตสัญญาณนาฬิกาของ CPU ล้วนมีแนวโน้มที่จะเกิดเสียงรบกวน และควรวางให้ใกล้กัน สำหรับอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มที่จะเกิดเสียงรบกวน วงจรกระแสไฟต่ำ วงจรเปลี่ยนกระแสไฟสูง ฯลฯ ให้เก็บให้ห่างจากวงจรควบคุมตรรกะและวงจรเก็บข้อมูล (ROM, RAM) ของไมโครคอนโทรลเลอร์ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากเป็นไปได้ วงจรเหล่านี้สามารถทำเป็นวงจรได้ บอร์ด ซึ่งเอื้อต่อการป้องกันการรบกวนและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของการทำงานของวงจร

2. ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน

พยายามติดตั้งตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนถัดจากส่วนประกอบสำคัญ เช่น ROM, RAM และชิปอื่นๆ ในความเป็นจริง ร่องรอยแผงวงจรพิมพ์ การเชื่อมต่อพินและการเดินสาย ฯลฯ อาจมีผลกระทบจากตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ ตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่อาจทำให้เกิดสไปค์เสียงรบกวนจากการสลับที่รุนแรงบนร่องรอย Vcc วิธีเดียวที่จะป้องกันสไปค์เสียงรบกวนจากการสลับบนร่องรอย Vcc คือการวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาด 0.1uF ระหว่าง VCC และกราวด์ไฟ หากใช้ส่วนประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิวบนแผงวงจร สามารถใช้ตัวเก็บประจุชิปได้โดยตรงกับส่วนประกอบและยึดติดกับพิน Vcc ควรใช้ตัวเก็บประจุเซรามิก เนื่องจากตัวเก็บประจุชนิดนี้มีการสูญเสียไฟฟ้าสถิต (ESL) ต่ำกว่าและอิมพีแดนซ์ความถี่สูง และอุณหภูมิและเวลาของความเสถียรของไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุก็ดีมากเช่นกัน พยายามอย่าใช้ตัวเก็บประจุแทนทาลัม เนื่องจากอิมพีแดนซ์สูงกว่าที่ความถี่สูง

ใส่ใจกับประเด็นต่อไปนี้เมื่อวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน:

เชื่อมต่อตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาด 100uF ข้ามปลายอินพุตไฟของแผงวงจรพิมพ์ หากปริมาณอนุญาต ให้ใช้ความจุที่ใหญ่กว่าจะดีกว่า

โดยหลักการแล้ว จำเป็นต้องวางตัวเก็บประจุเซรามิกขนาด 0.01uF ถัดจากชิปวงจรรวมแต่ละตัว หากช่องว่างของแผงวงจรเล็กเกินไปที่จะใส่ได้ คุณสามารถวางตัวเก็บประจุแทนทาลัมขนาด 1-10 ตัวสำหรับทุกๆ 10 ชิป

สำหรับส่วนประกอบที่มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่อ่อนแอและการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟขนาดใหญ่เมื่อปิด และส่วนประกอบจัดเก็บข้อมูล เช่น RAM และ ROM ควรเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนระหว่างสายไฟ (Vcc) และสายดิน

สายตะกั่วของตัวเก็บประจุไม่ควรยาวเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวเก็บประจุบายพาสความถี่สูงไม่สามารถใช้ตะกั่วได้

3. การออกแบบสายดิน

ในระบบควบคุมแบบชิปเดี่ยว มีสายดินหลายประเภท เช่น กราวด์ระบบ กราวด์ป้องกัน กราวด์ตรรกะ กราวด์อะนาล็อก ฯลฯ การจัดวางสายดินอย่างสมเหตุสมผลจะกำหนดความสามารถในการป้องกันการรบกวนของแผงวงจร เมื่อออกแบบสายดินและจุดต่อสายดิน ควรพิจารณาประเด็นต่อไปนี้:

ควรกำหนดสายดินตรรกะและกราวด์อะนาล็อกแยกกันและไม่สามารถใช้ร่วมกันได้ เชื่อมต่อสายดินของตนเองกับสายดินไฟที่เกี่ยวข้อง เมื่อทำการออกแบบ ควรทำให้สายดินอะนาล็อกหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และขยายพื้นที่กราวด์ของขั้วให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้ว ควรแยกสัญญาณอะนาล็อกอินพุตและเอาต์พุตออกจากวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านออปโตคัปเปลอร์

เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ของวงจรตรรกะ สายดินควรสร้างวงปิดเพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการรบกวนของวงจร

สายดินควรหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากสายดินบางมาก ความต้านทานของสายดินจะมาก ทำให้ศักย์ไฟฟ้าของกราวด์เปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟ ทำให้ระดับสัญญาณไม่เสถียร ส่งผลให้ความสามารถในการป้องกันการรบกวนของวงจรลดลง เมื่อพื้นที่การเดินสายอนุญาต ให้ตรวจสอบให้แน่ใจว่าความกว้างของสายดินหลักมีอย่างน้อย 2-3 มม. และสายดินบนพินส่วนประกอบควรมีความกว้างประมาณ 1.5 มม.

ใส่ใจกับการเลือกจุดต่อสายดิน เมื่อความถี่สัญญาณบนแผงวงจรต่ำกว่า 1MHz เนื่องจากอิทธิพลของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างการเดินสายและส่วนประกอบมีน้อย และการไหลเวียนที่เกิดจากวงจรกราวด์มีอิทธิพลต่อการรบกวนมากกว่า จึงจำเป็นต้องใช้กราวด์แบบจุดเพื่อให้ไม่เกิดวง เมื่อความถี่สัญญาณบนแผงวงจรสูงกว่า 10MHz เนื่องจากผลกระทบจากตัวเหนี่ยวนำที่ชัดเจนของการออกแบบการเดินสาย PCB อิมพีแดนซ์กราวด์จึงมีขนาดใหญ่มาก และกระแสหมุนเวียนที่เกิดจากวงจรกราวด์ไม่ใช่ปัญหาหลักอีกต่อไป ดังนั้น ควรใช้กราวด์แบบหลายจุดเพื่อลดอิมพีแดนซ์กราวด์ให้เหลือน้อยที่สุด

4. อื่นๆ

· นอกเหนือจากการจัดวางสายไฟแล้ว ความกว้างของร่องรอยควรหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามขนาดของกระแสไฟ ในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ทิศทางการเดินสายของสายไฟและสายดินควรสอดคล้องกับการเดินสายของสายข้อมูล ทำงานในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ในตอนท้าย ใช้สายดินเพื่อครอบคลุมด้านล่างของแผงวงจรที่ไม่มีร่องรอย วิธีการเหล่านี้ช่วยเพิ่มความสามารถในการป้องกันการรบกวนของวงจร

ความกว้างของสายข้อมูลควรกว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดอิมพีแดนซ์ ความกว้างของสายข้อมูลอย่างน้อยต้องไม่น้อยกว่า 0.3 มม. (12mil) และจะดีกว่าถ้าใช้ 0.46~0.5 มม. (18mil~20mil)

เนื่องจากรูผ่านบนแผงวงจรจะทำให้เกิดผลกระทบจากความจุประมาณ 10pF ซึ่งจะทำให้เกิดการรบกวนมากเกินไปสำหรับวงจรความถี่สูง ดังนั้นเมื่อออกแบบเลย์เอาต์ PCB ควรลดจำนวนรูผ่านให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นอกจากนี้ รูผ่านจำนวนมากเกินไปจะลดความแข็งแรงทางกลของแผงวงจร