รู้สึกท้อแท้กับสัญญาณรบกวน การกระจายความร้อนที่ไม่ดี และการกำหนดเส้นทางที่ยุ่งเหยิงเมื่อทำเค้าโครง PCB หรือไม่? จริงๆ แล้ว ตราบใดที่คุณเชี่ยวชาญเทคนิคหลักๆ คุณก็สามารถรับมือกับความท้าทายด้านเลย์เอาต์ทุกประเภทได้อย่างง่ายดาย! วันนี้ เราได้รวบรวมวิธีการจัดวาง PCB แบบไฮบริดที่ใช้งานได้จริง 9 วิธี ตั้งแต่การจัดวางส่วนประกอบไปจนถึงการป้องกันชั้นล่างสุด ทั้งหมดนี้อัดแน่นไปด้วยข้อมูลที่เป็นประโยชน์และไม่ยุ่งยาก ช่วยให้ผู้เริ่มต้นเริ่มต้นใช้งานได้อย่างรวดเร็ว!

I. การจัดวางส่วนประกอบ: ปฏิบัติตาม "กฎ" เพื่อวางส่วนประกอบอย่างถูกต้องและหลีกเลี่ยงการออกนอกทาง

การจัดวางส่วนประกอบที่ไม่ถูกต้องจะทำให้การกำหนดเส้นทางที่ตามมาทั้งหมดไร้ประโยชน์! เมื่อวางองค์ประกอบต่างๆ ไม่เพียงแต่คุณควรติดตามเส้นทางสัญญาณในแผนผังและเว้นพื้นที่เพียงพอสำหรับการติดตาม แต่คุณต้องจำหลักการ 5 ข้อเหล่านี้ด้วย:

• แหล่งจ่ายไฟควรถูกจัดกลุ่มให้กะทัดรัด โดยมีการออกแบบแยกส่วนเพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟมีความเสถียร
• ควรวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไว้ใกล้กับส่วนประกอบเพื่อลดวงจรกระแสไฟให้สั้นลงและลดเสียงรบกวน
• ควรวางตัวเชื่อมต่อไว้ที่ขอบบอร์ดโดยตรงเพื่อให้เชื่อมต่ออุปกรณ์ภายนอกได้ง่ายโดยไม่ต้องใช้พื้นที่หลัก
• ควรวางส่วนประกอบความถี่สูงอย่างเคร่งครัดตามแผนผังเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของสัญญาณ
• โปรเซสเซอร์ เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ และ "ส่วนประกอบหลัก" อื่นๆ ควรวางไว้ตรงกลางบอร์ดเพื่อให้เชื่อมต่อกับวงจรโดยรอบได้ง่าย

ครั้งที่สอง โมดูลอนาล็อก + ดิจิตอล: เค้าโครงแยกกัน ไม่มีการรบกวน
สัญญาณอนาล็อกและดิจิตอลมักจะขัดแย้งกัน พื้นที่ที่ใช้ร่วมกันสามารถนำไปสู่การรบกวนซึ่งกันและกัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของวงจรไม่ดี! วิธีที่ถูกต้องคือแยกทั้งสองออกจากกันโดยสิ้นเชิง ประเด็นสำคัญอยู่ที่นี่:

• วางส่วนประกอบที่มีความแม่นยำ (เช่น เครื่องขยายเสียงและแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง) บนระนาบอะนาล็อก และกำหนดระนาบดิจิทัลให้กับการควบคุมลอจิก บล็อกไทม์มิ่ง และ "ส่วนประกอบที่มีสัญญาณรบกวนสูง" อื่นๆ
• ADC (ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล) และ DAC (ตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อก) จัดการกับสัญญาณผสม ดังนั้นการปฏิบัติต่อสัญญาณเหล่านั้นเสมือนเป็นส่วนประกอบอะนาล็อกจึงมีความน่าเชื่อถือมากกว่า
• การออกแบบ ADC/DAC กระแสสูงต้องมีแหล่งจ่ายไฟอนาล็อกและดิจิตอลแยกกัน (DVDD เชื่อมต่อกับส่วนดิจิทัล, AVCC เชื่อมต่อกับส่วนอะนาล็อก)
• ไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์สร้างความร้อนอย่างมาก ดังนั้นการวางไว้ตรงกลางแผงวงจรและใกล้กับบล็อกวงจรที่เชื่อมต่ออยู่จะส่งผลให้การกระจายความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ที่สาม การกำหนดเส้นทาง: ใช้เส้นทางที่สั้นและตรงที่สุด หลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดเหล่านี้

หลังจากที่ส่วนประกอบต่างๆ เข้าที่แล้ว การกำหนดเส้นทางจะเกี่ยวกับ "การสร้างช่องสัญญาณ" จำหลักการ 8 ข้อเหล่านี้เพื่อการส่งสัญญาณที่ราบรื่นยิ่งขึ้น:

• เส้นทางสัญญาณที่สั้นและตรงยิ่งขึ้น ช่วยลดความล่าช้าและการรบกวนได้ดียิ่งขึ้น
• ต้องวางระนาบกราวด์ไว้ติดกับชั้นสัญญาณความเร็วสูงเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณกลับมาเป็นปกติ
• วงจรความเร็วสูงจะต้องกำหนดเส้นทางอย่างเคร่งครัดตามเส้นทางสัญญาณแผนผังและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามอำเภอใจ
• ใช้การติดตามแหล่งจ่ายไฟแบบสั้น ตรง และกว้างเพื่อลดความเหนี่ยวนำ
• หลีกเลี่ยงการสร้างร่องรอยและจุดแวะเป็น "รูปทรงเสาอากาศ" เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนเพิ่มเติม
• แยกร่องรอยวงจรดิจิทัลและแอนะล็อกออกจากกัน โดยไม่ข้ามหรือทับซ้อนกัน
• ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับร่องรอยการต่อลงดินที่เชื่อมต่อโซนดิจิตอลและอนาล็อก
• หลีกเลี่ยงการออกนอกทางและจุดแวะที่ไม่จำเป็นตลอดกระบวนการ ทำให้เส้นทางง่ายขึ้นพร้อมทั้งลดการสูญเสียสัญญาณ

IV. โมดูลพาวเวอร์ซัพพลาย: พร็อกซิมิตี้พาวเวอร์ซัพพลาย + การออกแบบการแยก - ความเสถียรคือกุญแจสำคัญ

แหล่งจ่ายไฟคือ "หัวใจ" ของวงจร รูปแบบที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ความล้มเหลวโดยรวมได้ง่าย มีสองประเด็นสำคัญ:

• โมดูลจ่ายไฟจะต้องอยู่ใกล้กับส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟในขณะที่แยกออกจากวงจรอื่น เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน
• สำหรับอุปกรณ์ที่ซับซ้อนซึ่งมีพินแหล่งจ่ายไฟหลายพิน ให้ใช้โมดูลแหล่งจ่ายไฟเฉพาะสำหรับทั้งส่วนแอนะล็อกและดิจิทัลเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนดิจิทัลด้วยสัญญาณแอนะล็อกโดยสิ้นเชิง
• สายไฟควรเป็นไปตามหลักการ "สั้น ตรง กว้าง" เพื่อลดข้อจำกัดในการเหนี่ยวนำและกระแสไฟฟ้า ส่งผลให้แหล่งจ่ายไฟมีเสถียรภาพมากขึ้น

V. การออกแบบการแยกส่วน: การสร้างสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนต่ำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้สูงสุด

แกนหลักของการแยกส่วนคือ "การกรองสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ" อัตราส่วนการปฏิเสธพาวเวอร์ซัพพลาย (PSRR) กำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์โดยตรง วิธีปฏิบัติ 5 วิธีนี้มีความจำเป็น:

• **ตัวเก็บประจุแบบรวม: ตัวเก็บประจุเซรามิกแบบเหนี่ยวนำต่ำกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าทำหน้าที่เป็น "แหล่งกักเก็บประจุ" เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำ และสามารถเลือกเม็ดเฟอร์ไรท์เพื่อเพิ่มการแยกตัวได้
• **วางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไว้ใกล้กับพินแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ และเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ความต้านทานต่ำโดยใช้ร่องรอยหรือจุดแวะสั้นๆ เพื่อลดความเหนี่ยวนำแบบอนุกรม
• **วางตัวเก็บประจุขนาดเล็ก (0.01μF-0.1μF) ไว้ข้างพินแหล่งจ่ายไฟ เพื่อป้องกันความไม่เสถียรของอุปกรณ์เมื่อเอาต์พุตหลายตัวสลับพร้อมกัน
• **เก็บตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า (10μF-100μF) ให้ห่างจากพินแหล่งจ่ายไฟไม่เกิน 1 นิ้ว ระยะทางที่มากเกินไปจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการกรอง
• **ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนสามารถเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์เป็นรูปตัว T ผ่านทางถัดจากพิน GND ของอุปกรณ์ ทำให้กระบวนการง่ายขึ้นโดยไม่ต้องเดินสายเพิ่มเติม

วี. การแบ่งชั้น PCB: วางแผนเลเยอร์ล่วงหน้าและปรับเส้นทางกลับให้เหมาะสม

กำหนดรูปแบบการแบ่งชั้นก่อนกำหนดเส้นทาง มิฉะนั้นจะส่งผลต่อเส้นทางส่งคืนสัญญาณ หมายเลขเลเยอร์ที่แตกต่างกันต้องคำนึงถึงการออกแบบที่แตกต่างกัน:

• ระบบเก็บข้อมูลประสิทธิภาพสูงควรจัดลำดับความสำคัญของ PCB 4 ชั้นหรือสูงกว่า บอร์ดสองชั้นเหมาะสำหรับวงจรง่ายๆ
• เค้าโครงบอร์ด 4 ชั้นทั่วไป: ชั้นบนสุด (สัญญาณดิจิตอล/อนาล็อก) ชั้นที่สอง (ชั้นล่าง ลดแรงดันไฟฟ้า IR ตกและป้องกันสัญญาณ) ชั้นที่สาม (ชั้นพลังงาน) ชั้นล่าง (สัญญาณเสริม);
• ชั้นพลังงานและชั้นกราวด์จะต้องอยู่ติดกันอย่างใกล้ชิด โดยใช้ความจุระหว่างชั้นเพื่อให้เกิดการแยกส่วนความถี่สูง
• บอร์ดหลายชั้นสามารถใช้ Blind Vias และ Vias แบบฝังเพื่อเชื่อมต่อเลเยอร์ ช่วยลดพื้นที่การติดตามพื้นผิว และทำให้เลย์เอาต์สะอาดขึ้น

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว ตัวต้านทานทองแดง PCB: การเลือกความหนาของทองแดงที่เหมาะสมเพื่อลดข้อผิดพลาด
รอยทองแดงเป็นแกนหลักของการเชื่อมต่อระหว่างวงจรและระนาบกราวด์ การต้านทานที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดของสัญญาณได้ จำประเด็นเหล่านี้:

• PCB มาตรฐานใช้ทองแดง 1 ออนซ์; ส่วนกำลังสูงใช้ทองแดง 2 ออนซ์หรือ 3 ออนซ์ (ความต้านทานของทองแดงคือ 1.724 × 10⁻⁶ Ω/cm ที่ 25°C)
• ฟอยล์ทองแดง 1 ออนซ์มีความหนาประมาณ 0.036 มม. โดยมีความต้านทาน 0.48mΩ/ตร.ม. ตัวอย่างเช่น รอยร่องกว้าง 0.25 มม. มีความต้านทานประมาณ 19 ม./ซม.
• สำหรับวงจรความแม่นยำอิมพีแดนซ์ต่ำ (เช่น ADC 16 บิต) ให้ใส่ใจกับความต้านทานการติดตามทองแดงเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดข้อผิดพลาดเพิ่มเติม ขยายร่องรอยหรือเพิ่มความหนาของทองแดงหากจำเป็น

8. การออกแบบสายดิน: สองตัวเลือก เลือกตามความต้องการ

การต่อสายดินเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการระงับสัญญาณรบกวน การเลือกตัวเลือกที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับระบบต่างๆ มีการอธิบายวิธีการหลักสองวิธีโดยละเอียด:

1. Single Ground Layer (แนะนำสำหรับระบบ ADC/DAC กระแสดิจิตอลต่ำ)

• การใช้ชั้นกราวด์ทึบชั้นเดียวช่วยให้กระแสไหลกลับไปตามเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด หลีกเลี่ยงการรบกวนสัญญาณผสม
• กระแสไฟไหลกลับความถี่ต่ำจะไหลกลับไปตามเส้นอ้างอิงกราวด์ของอุปกรณ์ ในขณะที่กระแสไฟไหลกลับความถี่สูงจะไหลกลับไปตามเส้นทางสัญญาณ ซึ่งช่วยลดการรบกวนของลูป

2. กราวด์อะนาล็อกอิสระ + กราวด์ดิจิทัล (แนะนำสำหรับระบบกระแสสูงที่ซับซ้อน)

• การแบ่งชั้นกราวด์ออกเป็นกราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัล เชื่อมต่อกันผ่าน "กราวด์ดวงดาว" (จุดตัดกันคือกราวด์รูปดาว) ทำให้มั่นใจได้ถึงระดับอ้างอิงที่สอดคล้องกันสำหรับทั้งสอง
• พิน AGND ของอุปกรณ์สัญญาณผสมเชื่อมต่อกับกราวด์อะนาล็อก และพิน DGND เชื่อมต่อกับกราวด์ดิจิทัล เพื่อแยกกระแสไฟฟ้าดิจิทัลที่มีสัญญาณรบกวนสูง
• PCB หลายชั้นต้องให้แน่ใจว่ามีการแยกอย่างสมบูรณ์ระหว่างระนาบ AGND และ DGND และไม่อนุญาตให้ทับซ้อนกัน

Ⅸ. การป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า: สร้างกรงฟาราเดย์เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนจากภายนอก

หลังจากจัดการกับสัญญาณรบกวนภายในแล้ว การป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ภายนอกถือเป็นสิ่งสำคัญ มิฉะนั้น อาจเกิดการหยุดชะงักในการสื่อสาร ข้อมูลเซ็นเซอร์เสียหาย และส่วนประกอบล้มเหลวได้ เทคนิคการป้องกันมีดังนี้:

• ใช้แผ่นป้องกันโลหะที่เพียงพอเพื่อสร้าง "กรงฟาราเดย์" ซึ่งครอบคลุมวงจรจากทั้งหกด้านจนสุด และเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์เพื่อให้การป้องกันที่เหมาะสมที่สุด
• การออกแบบชีลด์ต้องคำนึงถึงข้อกำหนดในการกระจายความร้อนและสำรองช่องสัญญาณอินพุต/เอาท์พุต การป้องกันไม่ควรรบกวนการทำงานของวงจรปกติ
• สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความถี่สูงและมีสัญญาณรบกวนสูง ชั้นป้องกันจะต้องรับประกันการเชื่อมต่อที่ราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยง "ช่องว่างในการป้องกัน"

ฝึกฝนเทคนิคเค้าโครง PCB แบบไฮบริดทั้ง 9 ประการ ไม่ว่าคุณจะเป็นมือใหม่หรือผู้มีประสบการณ์ในการปรับแต่ง PCB คุณสามารถรับมือกับความท้าทายในการจัดวางต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย เพิ่มเสถียรภาพและประสิทธิภาพของวงจรเป็นสองเท่า!