Thiết kế phần cứng PCB là một công việc phức tạp, dễ xảy ra lỗi nếu không tuân thủ các nguyên tắc cơ bản. Dưới đây là các lỗi phổ biến trong thiết kế phần cứng PCB và cách khắc phục:
- Sơ đồ nguyên lý sai hoặc không đầy đủ
- Kết nối nhầm chân linh kiện.
- Quên các thành phần phụ trợ (tụ lọc, điện trở pull-up/pull-down, diode bảo vệ, v.v.).
- Ghi sai giá trị linh kiện (ví dụ: sai giá trị tụ điện hoặc điện trở).
Khắc phục:
- Kiểm tra kỹ sơ đồ nguyên lý trước khi chuyển sang layout PCB.
- Sử dụng công cụ ERC (Electrical Rule Check) để kiểm tra các lỗi logic trên sơ đồ nguyên lý.
- Sắp xếp linh kiện không hợp lý
- Linh kiện không được đặt theo thứ tự logic (ví dụ: linh kiện công suất xa linh kiện tín hiệu).
- Khoảng cách giữa các linh kiện quá nhỏ, gây khó khăn cho sản xuất và hàn.
Khắc phục:
- Đặt linh kiện theo các nhóm chức năng.
- Đảm bảo khoảng cách tối thiểu phù hợp giữa các linh kiện, đặc biệt ở các mạch có yêu cầu cách ly điện áp.
- Sai kích thước hoặc khoảng cách track
- Track (đường dẫn) quá nhỏ, không chịu được dòng điện lớn.
- Khoảng cách giữa các track không đáp ứng yêu cầu điện áp cao.
Khắc phục:
- Sử dụng công cụ tính toán bề rộng track phù hợp với dòng điện (PCB Trace Width Calculator).
- Đảm bảo khoảng cách tối thiểu giữa các track (ví dụ: 0.2 mm hoặc theo tiêu chuẩn IPC-2221).
- Không có hoặc thiết kế mặt đất (GND) kém
- Không có mặt đất chung (ground plane), dẫn đến nhiễu và tín hiệu không ổn định.
- Mạch đất bị đứt đoạn, gây hiệu ứng vòng lặp (ground loop).
Khắc phục:
- Sử dụng lớp ground plane liên tục trong PCB (đặc biệt với PCB nhiều lớp).
- Tránh tạo các vùng đất nhỏ bị cô lập.
- Không có hoặc sai tụ lọc
- Quên đặt tụ lọc gần chân nguồn của vi điều khiển hoặc các IC quan trọng.
- Chọn sai giá trị hoặc loại tụ lọc (ví dụ: sử dụng tụ gốm thay vì tụ phân cực ở nơi cần thiết).
Khắc phục:
- Đặt tụ bypass (thường là 0.1 µF) gần chân VCC và GND của mỗi IC.
- Kiểm tra yêu cầu tụ lọc của từng linh kiện trong datasheet.
- Thiết kế không tối ưu với tín hiệu tốc độ cao
- Không chú ý đến impedance matching trên các đường tín hiệu tốc độ cao (SPI, I2C, USB, Ethernet, v.v.).
- Các đường tín hiệu quá dài, tạo nhiễu chéo (crosstalk).
Khắc phục:
- Sử dụng các nguyên tắc thiết kế vi sai (differential pair) và kiểm soát trở kháng.
- Giữ đường tín hiệu tốc độ cao ngắn và cách xa nguồn nhiễu.
- Lỗi trong thiết kế nguồn
- Không đủ số lượng tụ lọc để giảm nhiễu nguồn.
- Sử dụng đường dẫn nguồn quá nhỏ, gây sụt áp.
Khắc phục:
- Đặt đủ tụ lọc gần các bộ chuyển đổi điện áp và IC.
- Thiết kế đường dẫn nguồn lớn (rộng hơn đường tín hiệu, đáp ứng được khả năng mang dòng điện).
- Không kiểm tra khả năng sản xuất (DFM – Design for Manufacturing)
- Khoảng cách giữa các chân linh kiện quá nhỏ, gây khó khăn khi hàn.
- Đường dẫn hoặc pad nhỏ, khó gia công.
- Kích thước via quá nhỏ, khả năng gia công các loại via phức tạp như blind, burried, micro via
- Khả năng kiểm soát trở kháng khi sản xuất
Khắc phục:
- Đảm bảo kích thước pad và khoảng cách phù hợp với tiêu chuẩn sản xuất PCB.
- Sử dụng quy trình DFM để kiểm tra thiết kế trước khi gửi sản xuất.
- Lỗi trong phân vùng tín hiệu
- Tín hiệu công suất và tín hiệu điều khiển bị giao thoa, gây nhiễu.
- Không cách ly tín hiệu analog và digital.
Khắc phục:
- Phân vùng tín hiệu rõ ràng: analog, digital, và công suất.
- Sử dụng các lớp khác nhau để cách ly các tín hiệu quan trọng.
- Không kiểm tra nhiệt
- Không tính toán và quản lý nhiệt cho các linh kiện công suất cao.
- Quên thêm pad tản nhiệt hoặc vias tản nhiệt.
Khắc phục:
- Sử dụng heatsink, vias hoặc vùng đồng lớn để tản nhiệt.
- Kiểm tra bằng các công cụ mô phỏng nhiệt.
- Sai cựd hoặc chiều của linh kiện
- Đặt sai chiều linh kiện như diode, tụ điện phân, LED.
Khắc phục:
- Kiểm tra lại sơ đồ nguyên lý và hướng linh kiện trên PCB.
- Không sử dụng công cụ kiểm tra tự động
- Bỏ qua DRC (Design Rule Check), dẫn đến lỗi như track quá gần nhau, vias sai kích thước.
Khắc phục:
- Sử dụng công cụ DRC trong phần mềm thiết kế PCB để phát hiện lỗi.
- Thiếu điểm kiểm tra (test point)
- Không thêm các điểm kiểm tra, gây khó khăn trong quá trình debug và kiểm tra mạch.
Khắc phục:
- Thêm các điểm test point trên các tín hiệu quan trọng như nguồn, tín hiệu clock.
Kết luận
Để tránh các lỗi trên, hãy thực hiện các bước:
- Lập kế hoạch kỹ càng trước khi bắt đầu thiết kế.
- Tuân thủ các nguyên tắc thiết kế tiêu chuẩn (như IPC).
- Kiểm tra kỹ lưỡng sơ đồ và layout PCB bằng các công cụ tự động.
- Làm việc chặt chẽ với nhà sản xuất để đảm bảo khả năng sản xuất.
