یک صفحه زمین کارآمد در PCB، مرجعی پیوسته و هدفمند برای سیگنالها و مسیری عملی برای جریان بازگشت فراهم میکند. ابتدا صفحات مرجع را در ساختار لایهها تعیین کنید، سیگنالهای بحرانی را روی مس پیوسته مسیریابی کنید و آنچه را در محل شکافها، کانکتورها و گذارهای بین لایهای رخ میدهد بررسی کنید. صرف وجود برچسب نت زمین، پیوستگی را تضمین نمیکند: مس واقعی و حلقه کامل جریان را بررسی کنید.
راهکار مناسب به سیگنال، ساختار لایهها، الزامات قطعه و مرزهای ایزولاسیون بستگی دارد. صفحه زمین میتواند به کنترل هندسه مسیر بازگشت کمک کند، اما بهخودیخود مشکلات EMI، تداخل متقابل، یکپارچگی توان، حلقههای زمین یا ایمنی را حل نمیکند.
صفحه زمین چه کاری انجام میدهد؟
نت زمین یک اتصال الکتریکی تعریفشده در طراحی است. این نت به ابزار طراحی میگوید کدام پدها، ویاها و نواحی مسی به هم تعلق دارند. صفحه زمین یک لایه یا ناحیه رسانا است که بهعنوان مرجع و مسیر جریان بازگشت استفاده میشود. ناحیه مسریزیشده ناحیهای مسی است که ابزار طراحی ایجاد و به یک نت اختصاص میدهد؛ این ناحیه ممکن است صفحهای کارآمد تشکیل دهد، اما کارایی آن به مسی بستگی دارد که پس از اعمال فاصلههای ایزولاسیون، نواحی حذفشده و اتصالها باقی میماند.
برای مثال، یک ناحیه مسریزیشده که به زمین اختصاص یافته است ممکن است گلوگاههای باریک، جزیرههای ایزوله یا شکافهایی در اطراف سایر ساختارها داشته باشد. ممکن است نام نت درست باشد، اما مسیر بازگشت یک سیگنال همچنان غیرمستقیم باشد. برعکس، دو ناحیه که از نظر ظاهری به هم نزدیکاند، لزوماً به هم متصل نیستند یا قرار نیست به یک نت مشترک تعلق داشته باشند.
جریان هر سیگنال باید حلقهای را از طریق مسیر بازگشت بهسمت منبع خود کامل کند. توزیع این جریان بازگشت به فرکانس و هندسه بستگی دارد:
- در فرکانسهای پایینتر، مقاومت اغلب عامل مؤثری است و جریان میتواند در رساناهای موجود پخش شود.
- با افزایش فرکانس، اندوکتانس و هندسه میان سیگنال و مرجع آن تأثیر بیشتری پیدا میکنند. هرجا مرجع مناسبی وجود داشته باشد، جریان بازگشت تمایل دارد نزدیکتر به مسیر سیگنال متمرکز شود.
- یک شکلموج واقعی شامل مؤلفههایی در طیفی از فرکانسها است؛ بنابراین این فرض که تمام جریان بازگشت همواره دقیقاً زیر یک ترک حرکت میکند، گمراهکننده است.
مرجع مناسبی فراهم کنید و بررسی کنید حلقه جریان باید از کجا عبور کند، بهویژه در نقاطی که هندسه تغییر میکند. صرف افزودن مس متصل به زمین، مشکلات این مسیرها را برطرف نمیکند.
ساختار لایهها را بر اساس مرجع سیگنالها برنامهریزی کنید
پیش از مسیریابی، لایههایی را که سیگنالهای مهم را حمل میکنند و لایههای رسانایی را که قرار است مرجع آنها باشند مشخص کنید. برای هر لایه سیگنال، این پرسشها را مطرح کنید:
- کدام صفحه یا ناحیه مسی مرجع آن است؟
- آیا این مرجع در امتداد مسیر موردنظر پیوسته است؟
- وقتی سیگنال لایه را عوض میکند یا وارد کانکتور میشود، چه اتفاقی میافتد؟
- آیا نواحیای وجود دارند که در آنها فاصلههای ایزولاسیون مس، برشها یا مرزهای ایزولاسیون، مرجع را قطع کنند؟
قرار گرفتن یک لایه سیگنال در مجاورت صفحه مرجع پیوسته میتواند این بازبینی را آسانتر کند، زیرا رابطه مسیر و مرجع آن در طرح ساختار لایهها مشخص است. بااینحال، تعیین لایهها تنها نقطه شروع است: طرح نهایی همچنان میتواند شکافها، فضاهای خالی و گذارهایی ایجاد کند که مسیر بازگشت را تغییر میدهند.
از طرح لایهها برای حفاظت از نواحی مرجع مهم استفاده کنید، پیش از آنکه مسیریابیهای کماولویتتر آنها را اشغال کنند. رابطهای پرسرعت، مسیرهای آنالوگ حساس، کلاکها و سایر سیگنالهایی را که در طراحی قطعه یا سیستم بحرانی شناخته شدهاند بررسی کنید. نیازهای آنها ممکن است متفاوت باشد؛ بنابراین فرض نکنید یک روش مسیریابی برای همه دستهها کافی است.
مقالههای طراحی ساختار لایههای PCB و توضیح لایههای PCB اطلاعات مرتبط بیشتری درباره برنامهریزی لایهها ارائه میدهند.
پیش از انتشار طرح، از راهنمای DFM برای جانمایی PCB برای بررسی محدودیتهای ساخت در کنار طرح لایههای مرجع استفاده کنید.
مس واقعی مرجع را پیوسته نگه دارید
یک صفحه ممکن است بر اثر جداسازیهای عمدی، شیارهای برد، محلهای نصب، فاصلههای ایزولاسیون کانکتورها و ویاها و مسیریابی متراکم قطع شود. عبور سیگنال از یکی از این ناپیوستگیها ممکن است جریان بازگشت آن را وادار کند مسیر طولانیتر یا متفاوتی پیدا کند. این وضعیت میتواند حلقه جریان را بزرگتر کرده و کوپلینگ با ساختارهای مجاور را تغییر دهد.
هنگام بررسی محل عبور، فقط به خود ترک اکتفا نکنید:
- لایه سیگنال و مرجع موردنظر آن را با هم نمایش دهید.
- شکل مس مرجع را در دو طرف محل عبور بررسی کنید.
- به دنبال اتصالهای باریک یا مس جداافتادهای باشید که در اثر فاصلههای ایزولاسیون ایجاد شدهاند.
- بهجای قضاوت درباره شکاف بهصورت مجزا، یک مسیر بازگشت محتمل را تا سمت منبع دنبال کنید.
- بررسی کنید که آیا تغییر مسیر پیشنهادی، مشکل دیگری در جای دیگر ایجاد میکند یا خیر.
هرگاه مسیر پیوسته مناسبی وجود دارد، از عبور روی ناپیوستگی مرجع خودداری کنید. اگر عبور ضروری است، مشخص کنید مسیر بازگشت چگونه تأمین میشود و آیا محدودیتهای طراحی آن را مجاز میدانند یا خیر. یک سد ایزولاسیون عمدی، شکاف معمولی صفحه نیست که بتوان آن را بهسادگی به هم متصل کرد.
آنتیپدها و نواحی متراکم ویا را بررسی کنید
آنتیپد، فاصله خالی در یک صفحه پیرامون ساختاری است که نباید به آن صفحه متصل شود. هر آنتیپد ممکن است بهتنهایی ضروری باشد، اما چند فاصله خالی مجاور میتوانند با هم یک شیار ایجاد کنند یا بخش بزرگی از مس مرجع را از بین ببرند.
بررسی این موضوع بهویژه در نزدیکی کانکتورهای متراکم و نواحی گذار بین لایهها، که ممکن است ویاهای زیادی نزدیک به هم قرار داشته باشند، اهمیت دارد. شکل مس حاصل پس از اعمال فاصلههای ایزولاسیون را بررسی کنید، نه فقط محدوده اسمی صفحه را. اگر مس باقیمانده مسیر بازگشت بحرانی را قطع میکند، بررسی کنید آیا میتوان مسیریابی، خروج مسیرها از پایهها یا آرایش ویاها را در چارچوب محدودیتهای طراحی و ساخت تغییر داد.
گذارهای بین لایهای را بهعنوان گذار مسیر بازگشت بررسی کنید
یک ویای سیگنال، مسیر را از یک لایه به لایه دیگر منتقل میکند. این ویا ممکن است مرجع سیگنال را نیز تغییر دهد، حتی اگر شماتیک تغییری در نت نشان ندهد. مرجع لایه ورودی و مرجع لایه خروجی را بهعنوان بخشهایی از یک گذار واحد بررسی کنید.
وقتی هر دو مرجع روی یک نت زمین هستند
اگر سیگنال بین لایههایی جابهجا شود که به صفحات مختلف روی یک نت زمین مرجع داده شدهاند، جریان بازگشت به اتصالی بین آن صفحات نیاز دارد. یک ویای اتصالدهنده نزدیک روی همان نت میتواند مسیری بین آنها فراهم کند، مشروط بر اینکه به مس موردنظر در هر دو لایه متصل باشد و هندسه اطراف نیز مناسب بماند.
این موضوع دلیلی برای قرار دادن مکانیکی ویا در هر گذار نیست. اتصالهای واقعی صفحات، فاصلههای ایزولاسیون، سایر ویاهای نزدیک و مسیر سیگنال را بررسی کنید. ویایی که در نمای بالا نزدیک به نظر میرسد، اگر به مس مرجع مربوط متصل نباشد، برای این منظور مفید نیست.
مقاله اتصال ویاها در PCB به نقش مرتبط ویاها در اتصال نواحی مسی متعلق به یک نت میپردازد.
وقتی مرجعها پتانسیلهای متفاوتی دارند
اگر سیگنال بین لایههایی جابهجا شود که به صفحاتی با پتانسیلهای متفاوت مرجع داده شدهاند، یک ویای اتصالدهنده زمین روی همان نت، بهتنهایی دو مرجع را به هم متصل نمیکند. این گذار به بررسی هدفمند مسیر بازگشت نیاز دارد که مدار، کوپلینگ صفحات و راهنماییهای مربوط به قطعه را در نظر بگیرد.
اتصال یا خازن را بهعنوان راهحلی همگانی اضافه نکنید. مناسب بودن آن به نتهای مرجع، مسیر وابسته به فرکانس، توزیع توان اطراف و کاربرد بستگی دارد. به دیتاشیتهای قطعات مربوط و محدودیتهای طراحی مراجعه کنید، سپس گذار انتخابشده را بهعنوان بخشی از سیستم اعتبارسنجی کنید.
وقتی مرز ایزولاسیون در میان است
حوزههای دارای ایزولاسیون گالوانیکی به بررسی جداگانه نیاز دارند. زمینهای ایزوله را به هم اتصال کوتاه نکنید و برای پیوسته نشان دادن مسیر بازگشت، سد ایمنی را پل نزنید. قطعات و ساختارهای رسانایی که از یک سد عبور میکنند ممکن است طبق طراحی ایزولاسیون و قواعد ایمنی قابلاعمال محدود باشند.
مشخص کنید سیگنال قرار است در کجا از مرز عبور کند، مدار از چه روش ایزولاسیونی استفاده میکند و کدام فاصلههای ایزولاسیون و سایر الزامات اعمال میشوند. اگر مسیر نمیتواند این محدودیتها را رعایت کند، موضوع را به مسئولان طراحی مدار و ایمنی ارجاع دهید و آن را یک مسئله معمول اتصال صفحات تلقی نکنید.
کانکتورها را در بررسی مسیر بازگشت لحاظ کنید
یک مسیر مناسب روی PCB تنها بخشی از حلقه است. در محل کانکتور، بررسی کنید سیگنال و مسیر بازگشت آن چگونه از برد خارج میشوند، چه ارتباطی با تخصیص پایههای کانکتور دارند و در صورت دسترسی به اطلاعات، در سمت دیگر چه اتفاقی میافتد.
ممکن است پایههای زمین یک کانکتور به نت درست اختصاص یافته باشند، اما همچنان از طریق مس محدودشده، مجموعهای متراکم از آنتیپدها یا مسیری مشترک با جریانهای نامرتبط متصل شوند. از سوی دیگر، نمای سطح برد ممکن است مسیر بازگشت کامل از طریق کابل یا مجموعه جفتشونده را نشان ندهد.
برای رابطهای بحرانی، تخصیص پایههای کانکتور و مسیریابی خروجی از آن را با طراحی سیستم هماهنگ کنید. مس مرجع تا کانکتور، اتصالهای زمینی که قرار است از رابط پشتیبانی کنند و هر مرز حوزهای در محل اتصال را بررسی کنید. فرض نکنید وجود یک پایه زمین بهطور خودکار تمام مسیرهای سیگنال مجاور را قابلقبول میکند.
جانمایی مدارهای مختلط: مسیرهای جریان را مدیریت کنید، نه فقط نامگذاریها را
بردهای سیگنال مختلط میتوانند مدارهای آنالوگ حساس را در کنار کلیدزنی دیجیتال و تبدیل توان در خود جای دهند. نخستین تصمیمها اغلب عملکردی هستند: قطعات مرتبط را طوری قرار دهید که مسیرهای سیگنال و جریان بازگشت آنها قابلدرک باشد و از عبور غیرضروری حلقههای جریان مزاحم از نواحی حساس جلوگیری کنید.
یک صفحه زمین پیوسته میتواند نقطه شروع خوبی باشد، زیرا از وادار شدن سیگنالها به عبور از جداسازیهای عمدی جلوگیری میکند. بااینحال، پیوستگی بهتنهایی مانع اشتراک یک مسیر نامطلوب با جریان بازگشت نویزی نمیشود. جانمایی، مسیریابی، محل کانکتور و حلقههای جریان توان همچنان اهمیت دارند.
به همین ترتیب، جداسازی مس زمین راهکاری همگانی برای محافظت از مدارهای آنالوگ نیست. جداسازی میتواند مسیر جریان را تغییر دهد، اما ممکن است زیر سیگنالی که باید بین نواحی عبور کند نیز ناپیوستگی ایجاد کند. برخی قطعات، آرایشهای مشخصی برای زمین، جانمایی یا اتصال تعیین میکنند؛ از دیتاشیت آنها پیروی کنید و این دستورالعملها را در چارچوب کل برد ارزیابی کنید.
برای هر رابط سیگنال مختلط، موارد زیر را مشخص کنید:
- مبدأ و مقصد سیگنال و مسیر بازگشت آن.
- مسیرهای جریان کلیدزنی یا توان در نزدیکی آن.
- اینکه آیا سیگنال از مرز صفحه عبور میکند یا مرجع خود را تغییر میدهد.
- الزامات زمینکردن و جانمایی قطعات متصل.
- اینکه آیا مرز ایزولاسیون عمدی، اتصالهای مجاز را تغییر میدهد یا خیر.
نه صفحه جداشده و نه صفحه پیوسته، عملکرد قابلقبول نویز یا EMC را تضمین نمیکنند. تصمیم باید بر اساس مسیرهای واقعی جریان و اعتبارسنجی متناسب با محصول پشتیبانی شود.
بررسی فرضی یک مسیر
مثال فرضی: یک طراح در حال بررسی رابط دیجیتالی است که از یک کنترلر به کانکتور مسیریابی شده است. بخش نخست مسیر روی یک لایه سیگنال قرار دارد که مرجع آن صفحه زمین است. نزدیک کانکتور، ترک از شکافی در آن صفحه عبور میکند که در اثر مرز یک ناحیه مسی ایجاد شده است. سپس ترک لایه را تغییر میدهد و روی لایهای ادامه مییابد که مرجع آن صفحه دیگری روی همان نت زمین است.
طراح دو بررسی جداگانه انجام میدهد:
- شکاف مرجع: طراح با نمایش همزمان ترک و مس مرجع تأیید میکند که ترک از شکاف عبور میکند. بررسی ترجیحی در طرح، تغییر مسیر ترک روی مس مرجع پیوسته یا اصلاح آرایش مس است، اگر مدار و سایر محدودیتها اجازه دهند. طراح مسیر خروجی کانکتور را نیز بررسی میکند تا تغییر مسیر صرفاً ناپیوستگی را به نزدیکی پایهها منتقل نکند.
- گذار بین لایهای: در محل ویای سیگنال، طراح بررسی میکند که هر دو صفحه مرجع به یک نت زمین تعلق دارند و اتصال مناسبی بین آنها وجود دارد. ویای اتصالدهنده نزدیک تنها پس از تأیید امکان اتصال مس موردنظر در هر دو لایه، بدون ایجاد مشکل جدید در فاصلههای ایزولاسیون، بررسی میشود.
این دو اصلاح، ناپیوستگیهای متفاوتی را برطرف میکنند. ویای اتصالدهنده در محل تغییر لایه، شکاف مرجع قبلی را بهطور خودکار اصلاح نمیکند. اگر آن شکاف در عوض نشاندهنده مرز ایزولاسیون بود، اتصال نواحی مسی به یکدیگر اصلاح معمول قابلقبولی نبود؛ مرز و محل عبور باید با توجه به طراحی ایزولاسیون بررسی میشدند.
پس از تغییر طرح، طراح بررسی پیوستگی را تکرار میکند و اطلاعات مربوط به رابط و گذار را به مسئول اعتبارسنجی میدهد. این مثال یک روش بازبینی را نشان میدهد، نه پیشبینی اینکه محصول به هدف EMI یا یکپارچگی سیگنال خواهد رسید.
عیبیابی و تصمیمهای بازبینی
| نشانه یا مشاهده | بررسی طرح | تصمیم و اعتبارسنجی |
|---|---|---|
| یک ترک بحرانی از جداسازی یا شیار صفحه عبور میکند | ترک را همراه با مس مرجع آن نمایش دهید و مسیر بازگشت پیرامون ناپیوستگی را مشخص کنید. | تغییر مسیر روی مرجع پیوسته یا اصلاح ناحیه مسی را بررسی کنید. ایزولاسیون عمدی را حفظ و رابط حاصل را اعتبارسنجی کنید. |
| یک سیگنال لایه را تغییر میدهد | مرجع هر لایه را مشخص کنید و مس و اتصالهای اطراف ویای سیگنال را بررسی کنید. | برای مرجعهای همنت، اتصالدهی مناسب را ارزیابی کنید. برای پتانسیلهای متفاوت، گذار را با توجه به محدودیتهای مدار و قطعه بررسی کنید. |
| ناحیه کانکتور فاصلههای ایزولاسیون زیادی دارد | آنتیپدها و مس مرجع باقیمانده، از جمله مسیرهای منتهی به پایههای زمین موردنظر را بررسی کنید. | تغییر در خروج مسیرها از پایهها، مسیریابی یا آرایش ویاها را در نظر بگیرید؛ با طراحی کانکتور و سیستم هماهنگ کنید. |
| ناحیه مسریزیشده به زمین اختصاص یافته، اما تکهتکه به نظر میرسد | پس از ایجاد مسریزی، جزیرهها، گلوگاههای باریک، تخصیص نتها و اتصالها را بررسی کنید. | در صورت مجاز بودن، تکهتکهشدگی ناخواسته را اصلاح کنید و سپس مسیرهای بازگشت بحرانی را دوباره بررسی کنید. |
| رفتار آنالوگ به کلیدزنی نزدیک حساس است | جانمایی عملکردی و حلقههای سیگنال، توان و جریان بازگشت را ترسیم کنید. | بر اساس مسیرهای مشاهدهشده و راهنمای قطعه، جانمایی یا مسیریابی را اصلاح کنید؛ بهجای فرض اینکه جداسازی صفحه مشکل را حل میکند، اعتبارسنجی انجام دهید. |
| یک مسیر به مرز حوزه ایزوله نزدیک میشود | روش عبور موردنظر، نتهای حوزهها و محدودیتهای قابلاعمال سد را بررسی کنید. | موضوع را به مسئولان مدار و ایمنی ارجاع دهید. برای اصلاح پیوستگی صفحه، سد را پل نزنید. |
| با وجود صفحه زمین، EMI یا تداخل متقابل همچنان نگرانکننده است | پیوستگی مسیر بازگشت را همراه با مسیریابی، کوپلینگ، کانکتورها و سایر مسیرهای مرتبط سیستم بررسی کنید. | اندازهگیریها یا تحلیل متناسب با نگرانی موجود را انتخاب کنید؛ وجود صفحه بهتنهایی شاهد قبولی نیست. |
تحویل طراحی را آماده کنید
پیش از انتشار طرح، فرضها و تصمیمهای حلنشده آن را مستند کنید. موارد زیر را در بر بگیرید:
- نقشه ساختار لایهها، صفحات و نتها: لایههای سیگنال، لایههای مرجع، نواحی صفحات، تخصیص نتها و شکافهای عمدی را مشخص کنید.
- دستههای سیگنال بحرانی: رابطها و مسیرهای حساس نیازمند بازبینی را همراه با محدودیتهای قابلاعمال قطعات فهرست کنید.
- تغییر لایهها و شکافها: گذارها، تغییر مرجعها، جداسازیها، شیارها، مسیرهای خروجی کانکتورها و ناپیوستگیهای مهم ناشی از فاصلههای ایزولاسیون را مشخص کنید.
- مرزهای حوزههای ایزوله: مرز، روش عبور موردنظر و محدودیتهایی را که اتصال از میان آن را ممنوع یا کنترل میکنند، علامتگذاری کنید.
- تصمیمهای باز: مسیرهای بازگشتی را که تأیید آنها ممکن نبوده و مسئول رسیدگی به هرکدام را ثبت کنید.
- برنامه اندازهگیری یا شبیهسازی: مشخص کنید چه چیزی، توسط چه کسی و بر اساس کدام الزامات پروژه ارزیابی خواهد شد. از نتایج تحلیل و آزمون برای پشتیبانی تصمیمها استفاده کنید، نه بهعنوان تضمینی از پیش مفروض.
- مسئولیت تأیید نهایی: نقشهای پروژه مسئول تأیید طرح، بازبینی ساخت و اعتبارسنجی سیستم را مشخص کنید.
طراح PCB مسئول قصد طراحی در جانمایی است: تخصیص نتها، انتخاب مرجعها، مسیریابی و مستندات لازم برای بازبینی آنها. سازنده برد اطلاعات ساخت ارائهشده را در محدوده ساخت توافقشده بررسی و پردازش میکند؛ این پردازش، یکپارچگی سیگنال، انطباق EMC یا احراز صلاحیت محصول نهایی را اثبات نمیکند. مسئول اعتبارسنجی سیستم بررسیهای مرتبط در سطح محصول را تعیین و اجرا میکند و رفع موارد ناموفق را هماهنگ میسازد.
راهنمای فایل Gerber دادههای تصویری مورد استفاده برای ساخت را توضیح میدهد. وقتی برد برای گفتوگو درباره ساخت آماده شد، فایلهای Gerber، ساختار لایهها، لایههای مرجع موردنظر و الزامات ساخت را برای APTPCB ارسال کنید. هرگونه بازبینی یا آزمون درخواستی را نیز درج کنید تا درباره دامنه آن توافق شود. درخواست قیمت بدهید یا با APTPCB تماس بگیرید.
برای اطلاعات بیشتر درباره طراحی، به PCB Design Guidelines for Reduced EMI و High-Speed Layout Guidelines از Texas Instruments و What Are the Basic Guidelines for Layout Design of Mixed-Signal PCBs? از Analog Devices مراجعه کنید. راهنماییهای آنها را در کنار دیتاشیت قطعات مشخص و الزامات محصول تحت بررسی به کار ببرید.
