Í PCB hönnun, hvers vegna er munurinn á hliðrænum hringrás og stafrænu hringrás svo mikill?

Fjöldi stafrænna hönnuða og stafrænna hringrásarhönnunarsérfræðinga á verkfræðisviðinu eykst stöðugt, sem endurspeglar þróunarþróun iðnaðarins. Þrátt fyrir að áherslan á stafræna hönnun hafi leitt til mikillar þróunar í rafeindavörum er hún enn til og það verður alltaf einhver hringrásahönnun sem tengist hliðstæðum eða raunverulegu umhverfi. Raflagnaaðferðir á hliðrænu og stafrænu sviði hafa nokkur líkindi, en þegar þú vilt ná betri árangri, vegna mismunandi raflagnaaðferða þeirra, er einföld raflagnahönnun ekki lengur ákjósanlegur lausn.

Þessi grein fjallar um helstu líkindi og mun á hliðrænum og stafrænum raflögnum hvað varðar framhjáþétta, aflgjafa, jarðhönnun, spennuvillur og rafsegultruflanir (EMI) af völdum PCB raflagna.

Að bæta við hliðar- eða aftengingarþéttum á hringrásarborðinu og staðsetning þessara þétta á borðinu er skynsemi fyrir stafræna og hliðstæða hönnun. En athyglisvert er að ástæðurnar eru mismunandi.

Í hönnun hliðrænna raflagna eru framhjáhaldsþéttar venjulega notaðir til að komast framhjá hátíðnimerkjum á aflgjafanum. Ef framhjáhaldsþéttum er ekki bætt við geta þessi hátíðnimerki farið inn í viðkvæma hliðræna flís í gegnum aflgjafapinna. Almennt séð er tíðni þessara hátíðnimerkja meiri en getu hliðrænna tækja til að bæla hátíðnimerki. Ef framhjáhaldsþéttinn er ekki notaður í hliðrænu hringrásinni getur hávaði komið á merkjaleiðina og í alvarlegri tilfellum getur það jafnvel valdið titringi.

Í hliðrænum og stafrænum PCB hönnun ætti að setja framhjáveitu- eða aftengingarþétta (0,1uF) eins nálægt tækinu og mögulegt er. Aftengingarþétti aflgjafa (10uF) ætti að vera staðsettur við raflínuinngang hringrásarborðsins. Í öllum tilfellum ættu pinnar þessara þétta að vera stuttir.

Á hringrásinni á mynd 2 eru mismunandi leiðir notaðar til að leiða rafmagns- og jarðvírana. Vegna þessarar óviðeigandi samvinnu er líklegra að rafeindaíhlutir og rafrásir á hringrásarborðinu verði fyrir rafsegultruflunum.

Á einni spjaldinu á mynd 3 eru rafmagns- og jarðvír til íhlutanna á hringrásarborðinu nálægt hvor öðrum. Samsvörunarhlutfall raflínunnar og jarðlínunnar í þessu rafrásarborði er viðeigandi eins og sýnt er á mynd 2. Líkurnar á því að rafeindaíhlutir og rafrásir í hringrásinni verði fyrir rafsegultruflunum (EMI) minnka um 679/12,8 sinnum eða um 54 sinnum.
　　
Fyrir stafræn tæki eins og stýringar og örgjörva þarf einnig að aftengja þétta, en af mismunandi ástæðum. Eitt hlutverk þessara þétta er að virka sem „smá“ hleðslubanki.

Í stafrænum hringrásum þarf venjulega mikið magn af straumi til að framkvæma hliðarástandsskipti. Þar sem tímabundnir straumar myndast á flísinni við skiptingu og flæði í gegnum hringrásarborðið, er hagkvæmt að hafa viðbótar „vara“ gjöld. Ef það er ekki nóg hleðsla þegar skipt er um aðgerðina mun aflgjafaspennan breytast mikið. Of mikil spennubreyting mun valda því að stafræna merkjastigið fer í óvissuástand og getur valdið því að ástandsvélin í stafræna tækinu virki rangt.

Rofistraumurinn sem flæðir í gegnum hringrásarspjaldið mun valda því að spennan breytist og hringrásarspjaldið hefur sníkjuvirkja. Hægt er að nota eftirfarandi formúlu til að reikna út spennubreytinguna: V = LdI/dt. Meðal þeirra: V = spennubreyting, L = sporspenna hringrásarborðs, dI = straumbreyting í gegnum sporið, dt = straumbreytingartími.
　　
Þess vegna, af mörgum ástæðum, er betra að setja framhjáveitu (eða aftengja) þétta við aflgjafa eða á aflgjafapinna virkra tækja.

Rafmagnssnúran og jarðsnúran ættu að liggja saman

Staða rafmagnssnúrunnar og jarðvírsins passa vel saman til að draga úr líkum á rafsegultruflunum. Ef raflínan og jarðlínan passa ekki rétt saman verður kerfislykkja hönnuð og hávaði mun líklega myndast.

Dæmi um PCB hönnun þar sem raflínan og jarðlínan passa ekki rétt saman er sýnt á mynd 2. Á þessari hringrás er hönnuð lykkjaflatarmál 697cm². Með því að nota aðferðina sem sýnd er á mynd 3 er hægt að draga verulega úr möguleikum á að geislun hávaða á eða utan rafrásarborðsins veldur spennu í lykkjunni.

Munurinn á hliðstæðum og stafrænum raflögnum

▍ Jarðplanið er vandamál

Grunnþekking á rafrásum á rafrásum á bæði við um hliðræna og stafræna hringrás. Grunnþumalputtaregla er að nota óslitið jarðplan. Þessi skynsemi dregur úr dI/dt (straumbreytingu með tímanum) áhrifum í stafrænum rásum, sem breytir jarðmöguleikanum og veldur því að hávaði fer inn í hliðrænar rásir.

Raflagnatæknin fyrir stafrænar og hliðstæðar rafrásir eru í grundvallaratriðum þau sömu, með einni undantekningu. Fyrir hliðrænar hringrásir er annað atriði sem þarf að hafa í huga, það er að halda stafrænu merkjalínunum og lykkjunum í jarðplaninu eins langt frá hliðrænu hringrásunum og mögulegt er. Þetta er hægt að ná með því að tengja hliðræna jarðplanið við jarðtengingu kerfisins sérstaklega, eða setja hliðrænu hringrásina neðst á hringrásarborðinu, sem er enda línunnar. Þetta er gert til að halda ytri truflunum á merkjaleiðinni í lágmarki.

Það er engin þörf á að gera þetta fyrir stafrænar rafrásir, sem þola mikinn hávaða á jarðplaninu án vandræða.

Mynd 4 (vinstri) einangrar stafræna rofaaðgerðina frá hliðrænu hringrásinni og aðskilur stafræna og hliðræna hluta hringrásarinnar. (Hægri) Hátíðni og lágtíðni ættu að vera aðskilin eins mikið og mögulegt er og hátíðnihlutirnir ættu að vera nálægt hringrásartengjunum.

Mynd 5 Skipulag tvö náin ummerki á PCB, það er auðvelt að mynda sníkjudýra rýmd. Vegna tilvistar þessa tegundar rýmd getur hröð spennubreyting á einni línunni framkallað straummerki á hinni línunni.

Mynd 6 Ef þú gefur ekki gaum að staðsetningu ummerkjanna geta sporin í PCB framleitt línuinductance og gagnkvæma inductance. Þessi sníkjuvirki er mjög skaðleg virkni rafrása, þar með talið stafrænar rofarásir.

▍ Staðsetning íhluta

Eins og getið er hér að ofan, í hverri PCB hönnun, ætti að aðskilja hávaðahluta hringrásarinnar og „hljóðláta“ hlutann (ekki hávaðahlutinn). Almennt séð eru stafrænar rásir „ríkar“ af hávaða og eru ónæmar fyrir hávaða (vegna þess að stafrænar rásir hafa meira spennuhljóðþol); þvert á móti er spennuhljóðþol hliðrænna rafrása mun minna.

Af þeim tveimur eru hliðrænar hringrásir viðkvæmastar fyrir rofahljóði. Í raflögn á blönduðu merkjakerfi ætti að aðskilja þessar tvær rafrásir, eins og sýnt er á mynd 4.
　　
▍Sníkjudýraíhlutir framleiddir með PCB hönnun

Tveir grunnþættir sníkjudýra sem geta valdið vandamálum myndast auðveldlega í PCB hönnun: sníkjurýmd og inductance sníkjudýra.

Þegar hringrásarborð er hannað mun það mynda sníkjurýmd að setja tvö spor nálægt hvort öðru. Þú getur gert þetta: Á tveimur mismunandi lögum skaltu setja eina sneið ofan á hina snefilinn; eða á sama laginu, settu eina sneiðina við hliðina á hinni, eins og sýnt er á mynd 5.
　　
Í þessum tveimur snefilstillingum geta breytingar á spennu með tímanum (dV/dt) á annarri línunni valdið straumi á hinni línunni. Ef önnur ummerki er mikil viðnám mun straumurinn sem myndast af rafsviðinu breytast í spennu.
　　
Hratt spennubreytingar eiga sér oftast stað á stafrænu hliðinni á hliðrænu merkjahönnuninni. Ef sporin með hröðum spennustraumum eru nálægt háviðnáms hliðstæðum sporum, mun þessi villa hafa alvarleg áhrif á nákvæmni hliðrænu hringrásarinnar. Í þessu umhverfi hafa hliðrænar hringrásir tvo ókosti: hávaðaþol þeirra er mun lægra en stafrænna hringrása; og háviðnámsspor eru algengari.
　　
Að nota eina af eftirfarandi tveimur aðferðum getur dregið úr þessu fyrirbæri. Algengasta tæknin er að breyta stærð milli spora í samræmi við rýmdsjöfnuna. Áhrifaríkasta stærðin til að breyta er fjarlægðin milli ummerkjanna tveggja. Það skal tekið fram að breytan d er í nefnara rýmdarjöfnunnar. Þegar d eykst mun rafrýmd viðbragðið minnka. Önnur breyta sem hægt er að breyta er lengd sporanna tveggja. Í þessu tilviki minnkar lengdin L og rafrýmd viðbragða milli sporanna tveggja mun einnig minnka.
　　
Önnur tækni er að leggja jarðvír á milli þessara tveggja ummerkja. Jarðvírinn er með lágt viðnám og að bæta við öðru spori eins og þessu mun veikja truflunarrafsviðið, eins og sýnt er á mynd 5.
　　
Meginreglan um inductance sníkjudýra í hringrásinni er svipuð og sníkjurýmd. Það er líka að leggja út tvö ummerki. Á tveimur mismunandi lögum, settu eitt snefil ofan á hitt snefilinn; eða á sama lagið, settu eitt ummerki við hliðina á öðru, eins og sýnt er á mynd 6.

Í þessum tveimur raflagnastillingum mun núverandi breyting (dI/dt) á slóð með tímanum, vegna inductance þessa slóð, mynda spennu á sömu slóðinni; og vegna tilvistar gagnkvæmrar inductance mun það Hlutfallsstraumur myndast á hinni slóðinni. Ef spennubreytingin á fyrstu sporinu er nógu mikil, geta truflanir dregið úr spennuþoli stafrænu hringrásarinnar og valdið villum. Þetta fyrirbæri kemur ekki aðeins fram í stafrænum hringrásum, heldur er þetta fyrirbæri algengara í stafrænum hringrásum vegna stórra tafarlausra rofstrauma í stafrænum hringrásum.
　　
Til að koma í veg fyrir hugsanlegan hávaða frá rafsegultruflunum er best að aðskilja „hljóðlátar“ hliðstæðar línur frá hávaðasömum I/O tengi. Til að reyna að ná fram lágviðnámu afl- og jarðneti ætti að lágmarka inductance stafrænna hringrásarvíra og lágmarka rafrýmd tenging hliðrænna hringrása.
　　
03

Niðurstaða

Eftir að stafræn og hliðræn svið eru ákvörðuð er varkár vegvísun nauðsynleg fyrir árangursríka PCB. Raflagnastefna er venjulega kynnt fyrir öllum sem þumalputtaregla, vegna þess að erfitt er að prófa endanlegan árangur vörunnar í rannsóknarstofuumhverfi. Þess vegna, þrátt fyrir líkindin í raflagnaaðferðum stafrænna og hliðrænna hringrása, verður að viðurkenna og taka muninn á raflagnaaðferðum þeirra alvarlega.