Thiết kế layout PCB với lưu ý về Ground

Các nhà thiết kế layout PCB luôn quan tâm đến những câu hỏi nổi bật này, như làm thế nào để lập kế hoạch hệ thống nối đất hiệu quả trên bo mạch, liệu định tuyến tất cả các đất như đất analog, số và nguồn điện riêng biệt hay cùng nhau tại một điểm duy nhất và làm thế nào để loại bỏ các vòng nối đất trên bo mạch, v.v. EMC (Tương thích điện từ), RFI (Nhiễu tần số vô tuyến) và EMI (Nhiễu điện từ) luôn nằm trong danh sách quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế layout. Điều đó càng trở nên rõ ràng hơn khi việc đóng gói của linh kiện tiếp tục bị thu hẹp và mật độ của các linh kiện bo mạch cũng như tần suất hoạt động của hệ thống không ngừng tăng lên.

EMI và RFI cấp độ bo mạch là kết quả của quá trình tạo, truyền và nhận năng lượng điện từ được kết hợp giữa các linh kiện trên bảng mạch. Do đó, các yếu tố gây nhiễu có liên quan nhiều đến tất cả các yếu tố thiết kế của bố cục PCB, như, đóng gói linh kiện, trace, vias, vật liệu và lớp PCB, v.v. mục tiêu chính của các nhà thiết kế layout PCB là loại bỏ hoặc giảm mức độ, đường truyền dẫn và nguồn năng lượng của nhiễu.

Các nhiễu có thể được tạo ra bởi nhiều nguồn khác nhau. Các chân đầu vào/đầu ra (I/O) có thể tạo ra nhiều nhiễu. Các trace kết nối các chân này tạo thành các ăng-ten lớn. Các tín hiệu từ/đến các chân I/O này liên tục thay đổi theo logic và tốc độ thay đổi dựa trên clock chuyển mạch. Trở kháng chung giữa chân đầu ra và trình điều khiển clock là chân dùng chung cung cấp nguồn và đường trở lại gây ra méo tín hiệu. Bản chất đồng bộ mà tất cả các thiết bị trong hệ thống hoạt động trên cùng một tốc độ xung nhịp gây ra tất cả các sự kiện chuyển mạch dòng điện xảy ra cùng một lúc, tạo ra một xung nhiễu lớn chứa nhiều năng lượng RF. Một nguồn nhiễu khác có liên quan đến hệ thống quản lý nguồn trên bo mạch, bao gồm các bộ điều chỉnh điện áp và các tụ điện bypass liên quan ở cả bộ điều chỉnh và tại các chân nguồn của IC. Nguồn điện cung cấp cho các trình điều khiển clock trong IC dòng điện cần thiết để chuyển mạch clock. Chất lượng của nguồn cung cấp đầu ra là rất quan trọng. Ngoài ra, mạch dao động oscillator trên bảng mạch cũng tạo ra nhiễu. Mạch dao động chuyển động từ rail này sang rail khác. Ngoài tần số cơ bản, các sóng hài được đưa vào ở phía đầu ra vì bộ đệm đầu ra là số bình phương các sóng hình sin. Bất kỳ nhiễu nào gây ra bởi các hoạt động bên trong chẳng hạn như bộ đệm clock sẽ xuất hiện trong đầu ra. Nó được yêu cầu để tách crystal và các tank circuit của nó khỏi các linh kiện khác và các trace kết nối chúng trên PCB và giảm diện tích vòng lặp. Mạch dao động chuyển động từ phân vùng này sang phân vùng khác. Ngoài tần số cơ bản, các sóng hài được đưa vào ở phía đầu ra vì bộ đệm đầu ra là số bình phương các sóng hình sin. Bất kỳ nhiễu nào gây ra bởi các hoạt động bên trong chẳng hạn như bộ đệm clock sẽ xuất hiện trong đầu ra. Nó được yêu cầu để tách tinh thể và các mạch bể của nó khỏi các linh kiện khác và các trace kết nối chúng trên PCB và giảm diện tích vòng lặp.

Các nguồn cung cấp điện, đặc biệt là các nguồn cung cấp chế độ switch-mode là các nguồn EMI nghiêm trọng vì dòng chuyển mạch cao và các tín hiệu điều khiển nhạy cảm ở gần nhau. Do đó, cần phải layout PCB cẩn thận để đảm bảo sản phẩm không chỉ hoạt động chính xác mà còn ít nhiễu. Trong số tất cả các cân nhắc quan trọng về thiết kế layout PCB, việc nối đất đã được chú ý hàng đầu. Mặc dù đã có những nhầm lẫn đáng kể về các loại đất và tác động của đất lên mạch, chẳng hạn như chức năng của mạch, hiệu suất và nhiễu điện từ (EMI). Đối với thiết kế layout PCB, chúng ta cần biết tất cả các loại đất sau đây.

• Logic ground
• Analog ground
• Chassis ground
• Safety ground
• Earth ground

Tất cả các tín hiệu cũng như nhiễu đều bắt nguồn từ các nguồn và quay trở lại đất. Các ký hiệu đất trong sơ đồ thường tạo ra ảo tưởng rằng một đất tham chiếu không thay đổi hoặc đất đẳng thế thực sự tồn tại. Thực tế là đất mà chúng ta sử dụng làm tín hiệu trả về không phải là một điện thế tương đương. Các kết nối từ bất kỳ điểm nào trên bảng mạch với đất có chiều dài hữu hạn do đó có điện trở (đối với tín hiệu DC) hoặc trở kháng (đối với tín hiệu hỗn hợp). Không cần biết đồng dày đến mức nào và ngắn đến mức nào đối với các trace đất của bạn, nó đều có điện trở. Điện trở của đất sẽ gây ra nhiễu xuyên âm crosstalk giữa hai tín hiệu khác nhau mà trở về cùng một điểm tại đất. Các dòng điện khác nhau của hai tín hiệu tạo ra các sụt áp khác nhau và chúng sẽ được coi là dao động tương đối (relative fluctuation) trong tham chiếu. Điện thế đất không đồng nhất là nguyên nhân gốc của các vòng lặp đất ground loop.

Theo công thức trên, chiều dài trace càng ngắn thì điện trở càng nhỏ, còn trace dày và rộng thì điện trở càng thấp.

Điện trở phụ thuộc nhiệt độ so với nhiệt độ phòng ở 25 độ C. Nếu chúng ta bỏ qua sự phụ thuộc nhiệt độ, thì điện trở trace được biểu thị bằng R = ρ (L/(T.W)) .

Điện trở nhỏ của ground plane là một trong những yêu cầu quan trọng nhất để thiết kế PCB của bạn. PCB như vậy làm giảm nhiễu gây ra bởi sự thay đổi của dòng điện trở lại và chúng cung cấp cho đất điện áp tham chiếu chấp nhận được để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của các mạch tương tự.

Vì các trace đồng trên PCB có điện trở hữu hạn, bất kể độ dài và độ dày của chúng, bất kỳ đoạn ngắn nối tắt không cần thiết nào cùng với đường trở lại đất có thể tạo thành các vòng nối đất ground loop không mong muốn như trong hình trên.

Trong một hệ thống tín hiệu hỗn hợp, tốt hơn là có nhiều đường rail cho các mạch con số và các mạch con tương tự (digital subcircuits and analog subcircuits). Trong nhiều trường hợp, không thể có nguồn điện riêng biệt cho các phần số và tương tự trên PCB vì chi phí cao, kích thước bo mạch lớn cũng như hạn chế về thời gian thiết kế. Do đó, một thực tế phổ biến là sử dụng bộ điều chỉnh điện áp chung để tạo ra điện áp điều chỉnh cần thiết, ví dụ: 3,3V hoặc 5,0V cho cả phần số và tương tự cho một hệ thống điện áp duy nhất. Trong thiết kế như vậy, cần chú ý để cách ly các phân vùng analog và số và các đất tương ứng của chúng với nhau. Quá trình này được gọi là phân tách đất (splitting ground). Cả hai đất phải được kết nối ở đâu đó trên PCB và phải ở cùng một nơi để loại bỏ bất kỳ khả năng tạo vòng nối đất nào. Phương pháp nối đất điểm duy nhất tạo thành một cấu trúc star ground như thể hiện trong hình dưới đây.

Phương pháp single point grounding

Điều quan trọng là phải phân vùng đúng PCB theo chức năng của loại tương tự hoặc loại số tương ứng. Ngay cả sau khi chúng tôi chia nhỏ đất số và tương tự một cách tỉ mỉ, nó vẫn có thể gây ra sự cố do đặt trace tín hiệu không chính xác. Hình bên trái ở trên cho thấy một tình huống khi chúng ta đặt một trace tín hiệu giao nhau trên đất tương tự và số vô tình bỏ qua đường trở lại của tín hiệu. Chúng ta có thể đã học được thực tế rằng dòng điện luôn đi theo đường có điện trở nhỏ nhất và đường đi có điện trở ít nhất trong PCB ở trên là thông qua điểm nối giữa hai đất. Do đó, một vòng nối đất lớn được tạo ra giữa trace tín hiệu xa nhau và đường trở lại tín hiệu. Giải pháp cho vấn đề này là định tuyến trace tín hiệu thông qua điểm nối đất được phân chia như trong hình bên phải ở trên. Bằng cách này, vòng nối đất có thể được loại bỏ.

Khi chúng tôi chia các mặt phẳng đất cho các mạch tương tự và số, chúng ta phải kết nối hai mặt phẳng phân chia tại một điểm duy nhất. Nếu không có kết nối điểm duy nhất, chúng ta phải kết nối các mặt phẳng đất tại nhiều điểm với các trace trên đất, điều này có thể dễ dàng tạo ra các đường vòng lớn trên đất như thể hiện trong hình dưới đây.

Hiệu ứng này các vòng lặp tốt sẽ rất quan trọng khi các mạch số cùng tồn tại với các mạch tương tự. Việc chia sẻ một phần đất của một mạch tương tự với các mạch số có thể gây trở ngại cho các hoạt động của mạch tương tự chính xác. Theo Analog Devices, một trace PCB dài 5 cm có thể gây ra lỗi hơn 1 LSB (Bit ít có ý nghĩa nhất) trong các giá trị số hóa được tạo ra bởi ADC 16 bit (Bộ chuyển đổi tương tự sang số).

Có nhiều cách để giảm ảnh hưởng của điện áp không đồng đều trên đất. Chúng tôi có thể sử dụng vias hoặc through hole để kết nối trực tiếp các tín hiệu với mặt phẳng plane đất chuyên dụng bên dưới.

Đóng via xuống plane đất có thể loại bỏ hiệu quả các vòng lặp đất

Ví dụ sau về cách layout PCB thích hợp với các cân nhắc về đất cho bộ chuyển đổi DC-DC Semtech TS30011 Chế độ Current Mode Synchronous Buck. Layout PCB cho TS30011 phải được thực hiện cẩn thận để giảm thiểu EMI, cho bộ điều chỉnh điện áp vận hành đúng. Layout không đúng có thể gây ra các vấn đề về sự không ổn định, các bộ điều chỉnh điện áp bị suy giảm hiệu suất, độ nhạy nhiễu và tăng phát xạ EMI. Yêu cầu rằng các nút nhạy cảm không được chỉ định cho việc truyền tải điện năng phải được tham chiếu đến nối đất tương tự (AGND) và phải luôn được cách ly với nối đất nguồn (PGND). Đối với các IC có pad tản nhiệt tiếp xúc, phải có một khu vực đồng được đổ chuyên dụng trên lớp linh kiện cho tấm tản nhiệt. Ngoài ra, phải đặt nhiều via từ pad tản nhiệt này đến mặt phẳng plane đất bên dưới (PGND) để truyền nhiệt hiệu quả từ pad tản nhiệt xuống mặt phẳng plane đất.

Đề xuất layout PCB cho bộ chuyển đổi DC-DC Semtech TS30011 Current Mode Synchronous Buck DC-DC

Đó là một thực tế phổ biến để có một đất chuyên dụng trong PCB bốn lớp. Trong nhiều trường hợp, có thể mong muốn sử dụng các lớp bên trong làm định tuyến tín hiệu thông thường, nhưng trên thực tế, việc sử dụng một trong các lớp bên trong làm mặt phẳng đất có thể đơn giản hóa các kết nối đất bằng cách dễ dàng thả via hoặc through hole trực tiếp xuống mặt phẳng plane để giảm trace đất và giảm cơ hội tạo vòng lặp trên đất.

Trở kháng thấp của đất chuyên dụng là yếu tố quan trọng nhất để giảm thiểu EMI. Khi không thể có một mặt phẳng đất liên tục duy nhất hoặc tốn kém, thông thường người ta phân chia ground plane thành nhiều phần để phù hợp với các kết nối đất cho các mạch khác nhau. Bằng cách này, chi phí chế tạo PCB được giảm xuống trong khi EMI cũng được giảm thiểu.

Làm thế nào để kết nối các đất số và tương tự tại một nơi là yêu cầu quan trọng. Nhưng các cách tiếp cận khác nhau đã được thực hiện. Như thể hiện ở hình ảnh bên dưới, các nhà thiết kế có thể sử dụng một điện trở 0 ohm để làm ngắn mạch phân chia. Một số nhà thiết kế khác có thể sử dụng hạt ferrite bead để tạo kết nối. Mặc dù những cách tiếp cận khác nhau này là những giải pháp khả thi cho một số ứng dụng cụ thể, nhưng nó được khuyến nghị không nên được sử dụng chung. Điện trở thường phụ thuộc vào nhiệt độ. Một điện trở 0 ohm có thể đo 0 ohm ở nhiệt độ danh định. Khi nhiệt độ xung quanh tăng, sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra thay đổi điện trở. Điện trở tăng lên trong trace nối đất làm rối loạn tham chiếu của điện áp. Trở kháng của hạt ferrite bead phụ thuộc vào tần số tín hiệu. Hạt Ferrite là linh kiện thụ động được sử dụng làm bộ lọc thông thấp low-pass filter giúp triệt tiêu tín hiệu có tần số cao. Tính năng này của hạt ferrite bead có thể có lợi trong các hệ thống điện một chiều thuần túy, nhưng chúng có thể làm suy giảm hệ thống nối đất khi tín hiệu trả về được kết hợp với một lượng lớn các thành phần tín hiệu tần số cao.

Trong các hệ thống điện tử có sẵn chassis ground, việc kết nối plane đất với chassis ground thường gây ra nhiều thắc mắc. Chassis ground còn được gọi là safety ground, earth ground hoặc protection earth (PE) trong các trường hợp khác nhau. Như tên gọi của chassis ground cho thấy, chức năng duy nhất mà nó cung cấp là an toàn và bảo vệ. Nó không đóng thêm bất kỳ vai trò nào trong việc thực hiện hoặc các chức năng điện tử khác. Do đó, nó thường không được kết nối với đất bên trong, ví dụ đất tương tự hoặc đất số. Trong một số trường hợp, không cho phép kết nối chassis ground với đất PCB. Trong một số tình huống khác, khi cần kết nối chassis ground với mặt phẳng đất PCB, một số nhà thiết kế chỉ cần kết nối trực tiếp chúng tại một điểm thông qua braid cable, vít gắn hoặc thanh đồng đặc (mounting screw, or solid copper bar).

Kết nối giữa chassis ground và mặt phẳng plane đất PCB cũng như kết nối giữa chassis và vỏ kim loại thông qua các vít gắn.

Khi thực hiện kết nối giữa chassis ground và mặt phẳng plane đất PCB, điều quan trọng là tránh các vòng nối đất trong một số trường hợp.

1. Cắt khoảng trống bên dưới từ tính (máy biến áp hoặc cuộn cảm), ví dụ như trong các ứng dụng giao tiếp RJ45
2. Cắt chassis ground để ngăn chặn việc hình thành một ăng-ten vòng kín

Trong hệ thống đất tách rời, điều quan trọng là phải luôn giữ trace bên trong mặt phẳng đất tương ứng của nó; đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào, không có trace nào có thể vượt qua các trace tách (trace cắt trên đất) trên bất kỳ lớp nào. Các tình huống khi tín hiệu đi qua các tracecắt trên đất được hiển thị bên dưới. Rất có thể các vòng lặp trên đất có thể được tạo ra khi một trace vô tình vượt qua mặt phẳng đất bị chia cắt. Khi các tín hiệu bắt nguồn từ các giao diện giữa mạch tương tự và số phải được layout, nên định tuyến chúng qua khu vực cầu nối đơn được hiển thị bên dưới.

Trong hệ thống nối đất phân chia, các trace của tín hiệu tương tự nên được đặt ngay trên hoặc dưới đất tương tự. Định tuyến tương tự cũng có thể áp dụng cho các tín hiệu số. Điều này đảm bảo tất cả các tín hiệu trả về có thể được thực hiện trực tiếp đến các đất tương ứng bằng vias. Đây là một cách hiệu quả để giảm vòng lặp đất ground loop.

Khi phân vùng bảng mạch cho các phần tương tự và số, đất phân chia thường được kết nối dưới hoặc gần các thiết bị tín hiệu hỗn hợp có cả kết nối đường sắt tương tự và số. Khi tạo mối nối giữa đất tương tự và đất số dưới thiết bị tín hiệu hỗn hợp, nó cho phép chạy các trace tín hiệu hỗn hợp với độ dài ngắn nhất và giảm cơ hội gây nhiễu cho các tín hiệu tương tự hoặc số khác trong chu vi của thiết bị.

Vị trí thích hợp của các linh kiện trong layout PCB là rất quan trọng. Mối nối của các mặt phẳng đất phân tách có thể được thực hiện ngay bên dưới linh kiện để tránh các vòng nối đất (ground loop).

Trong cách layout PCB với nhiều hệ thống con subsystem, các linh kiện tín hiệu hỗn hợp có thể được sắp xếp cẩn thận để các phân vùng của bo mạch có thể được kết nối dưới các linh kiện để tránh các vòng nối đất.

Thực tế phổ biến là kết nối mặt phẳng plane đất PCB với chassis ground và vỏ kim loại cùng với các vít gắn. Thường thuận tiện để tạo kết nối trở kháng thấp tốt mà không cần sử dụng dây hàn mà chỉ cần gắn vít. Điều này đặc biệt hữu ích trong hệ thống xếp chồng nhiều bảng trong cùng một vỏ kim loại như thể hiện trong hình sau. Đất PCB được kết nối với chassis ground thông qua vỏ kim loại. Với sơ đồ nối đất một điểm, một hệ thống nối đất tốt có thể được tạo ra thông qua mặt phẳng nối đất PCB, chassis và vỏ kim loại cho các ứng dụng trong miền tần số thấp, dưới 1MHz, ví dụ như mạch âm thanh, nguồn cung cấp. Đối với tần số làm việc cao hơn, cần có sơ đồ nối đất đa điểm multi-point grounding. Dưới tần số cao, vỏ kim loại có thể coi như trở kháng truyền phân tán phụ thuộc vào tần số của tín hiệu. Hệ thống đơn điểm single-point không thể thoát khỏi hiệu ứng vòng lặp. Một ví dụ về hệ thống nối đất đa điểm là trong máy tính để bàn. Bo mạch chủ của máy tính để bàn có nhiều lỗ vít bằng kim loại mà qua đó có thể thực hiện kết nối tiếp đất thông qua các vít gắn.

Tất cả plane đất tín hiệu PCB, chassis ground thiết bị và vỏ kim loại đều có thể được kết nối để tạo thành một hệ thống nối đất. (Nguồn ảnh: http://electronics.stackexchange.com)

Tham khảo: https://www.onelectrontech.com/pcb-layout-design-tips-grounding-considerations/