مشکلات طراحی PCB یکی از دلایلی هستند که باعث می‌شوند یک مدار با وجود شماتیک صحیح، روی برد واقعی عملکرد مطلوبی نداشته باشد. ممکن است تمام اتصالات را بررسی کرده باشید و شبیه‌سازی نیز نتیجه درستی نشان دهد، اما پس از مونتاژ، میکروکنترلر هنگام روشن شدن موتور ریست شود، خروجی سنسور نویز داشته باشد یا مدار در شرایط خاص ناپایدار عمل کند.
در چنین شرایطی، بسیاری از طراحان ابتدا سراغ برنامه میکروکنترلر، مقدار قطعات یا تنظیمات تغذیه می‌روند. بااین‌حال، مسیرکشی نامناسب، جانمایی اشتباه خازن‌ها و ناپیوستگی صفحه زمین نیز می‌توانند رفتار واقعی مدار را تغییر دهند.
در این مقاله، دلایل اصلی بروز این مشکلات را از دیدگاه مهندسی بررسی می‌کنیم و با یک مثال عملی نشان می‌دهیم که چگونه دو PCB با شماتیک یکسان، ممکن است عملکرد متفاوتی داشته باشند.
۱.مشکلات طراحی PCB چگونه عملکرد مدار را تغییر می‌دهند؟
شماتیک، ارتباط الکتریکی قطعات را مشخص می‌کند. برای مثال، نشان می‌دهد که پایه تغذیه یک میکروکنترلر به منبع ۳٫۳ ولت متصل است و یک خازن 100nF میان تغذیه و زمین قرار دارد.
اما شماتیک معمولاً تمام خصوصیات فیزیکی این اتصالات را نشان نمی‌دهد.
روی PCB واقعی، مسیرهای مسی مقاومت، اندوکتانس و ظرفیت خازنی پارازیتی دارند. این ویژگی‌ها به هندسه مسیر، طول، عرض، فاصله از مسیرهای دیگر و ساختار لایه‌های برد وابسته‌اند.
به همین دلیل، دو برد با شماتیک کاملاً یکسان می‌توانند رفتار متفاوتی داشته باشند.
در صفحه ۱۶ راهنمای Sierra Circuits، عواملی مانند ناپیوستگی امپدانس، Via، انشعاب مسیر سیگنال و شکاف در صفحه مرجع از دلایل اختلال یکپارچگی سیگنال معرفی شده‌اند.
این مسئله به‌ویژه در مدارهایی که تغییرات سریع ولتاژ و جریان دارند اهمیت پیدا می‌کند.
چرا سرعت تغییر سیگنال اهمیت دارد؟
فرض کنید دو مدار دیجیتال با فرکانس یکسان کار می‌کنند، اما زمان خیز سیگنال‌های آن‌ها متفاوت است.
سیگنالی که سریع‌تر تغییر می‌کند، مؤلفه‌های فرکانسی بالاتری دارد. بنابراین امکان دارد اثر اندوکتانس مسیر، ناپیوستگی امپدانس و کوپلینگ میان مسیرها در آن بیشتر نمایان شود.
در نتیجه، هنگام بررسی یک سیگنال دیجیتال نباید صرفاً به فرکانس کلاک توجه کنیم؛ زمان خیز و افت سیگنال نیز اهمیت دارند. این موضوع در بخش Signal Integrity راهنمای Sierra Circuits بررسی شده است.
۲. جریان برگشتی؛ یکی از عوامل پنهان مشکلات طراحی PCB
یکی از مشکلات طراحی PCB، نادیده گرفتن مسیر جریان برگشتی است. این اشتباه به‌خصوص در مدارهایی که سیگنال‌های دارای زمان خیز کوتاه دارند، می‌تواند باعث افزایش نویز و اختلال در یکپارچگی سیگنال شود.
هر جریان برای تکمیل مسیر خود به یک حلقه بسته نیاز دارد. بنابراین، وقتی یک سیگنال از خروجی میکروکنترلر به ورودی قطعه دیگری منتقل می‌شود، باید مسیر بازگشت جریان آن را نیز در نظر بگیریم.
این مسیر ممکن است در صفحه زمین، یک مسیر مسی مجزا یا ساختار مرجع دیگری قرار داشته باشد.
در سیگنال‌هایی که مؤلفه‌های فرکانس بالایی دارند، جریان برگشتی تمایل دارد در نزدیکی مسیر رفت سیگنال حرکت کند؛ زیرا این آرایش معمولاً اندوکتانس حلقه را کاهش می‌دهد.
راهنمای Sierra Circuits در صفحه ۹۵ دقیقاً بر ضرورت بررسی مسیر برگشتی هنگام Routing تأکید می‌کند. شکل همین صفحه نیز دو طراحی را مقایسه می‌کند که در یکی مسیر بازگشت سیگنال از مسیر مطلوب خود منحرف شده است.
وقتی مسیر برگشتی قطع می‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟
فرض کنید یک مسیر سیگنال از روی شکاف موجود در صفحه زمین عبور کند.
در این حالت، جریان برگشتی نمی‌تواند مستقیماً در زیر سیگنال حرکت کند و مجبور می‌شود مسیر دیگری پیدا کند.
این تغییر می‌تواند مساحت حلقه جریان را افزایش دهد و باعث افزایش کوپلینگ نویز یا انتشار الکترومغناطیسی شود.
راهنمای Sierra Circuits در صفحه ۹۶ توصیه می‌کند که طراحان مسیرهای سیگنال را از روی شکاف صفحه مرجع عبور ندهند.
نکته طراحی: هنگام مسیرکشی یک سیگنال حساس، فقط مسیر رفت آن را بررسی نکنید. صفحه مرجع را نیز دنبال کنید تا مطمئن شوید جریان برگشتی با مانعی مانند شکاف زمین یا ناحیه بدون مس مواجه نمی‌شود.
۳. آیا باید زمین آنالوگ و دیجیتال را جدا کنیم؟
در طراحی مدارهای ترکیبی، مانند بردهایی که میکروکنترلر، ADC و قطعات قدرت دارند، طراحان معمولاً با این سؤال مواجه می‌شوند:
آیا باید زمین آنالوگ و دیجیتال را به دو بخش مستقل تقسیم کنیم؟
پاسخ به ساختار مدار و الزامات قطعات بستگی دارد. تقسیم فیزیکی زمین نباید به یک قانون عمومی تبدیل شود.
شرکت Texas Instruments در سند Best Practices for Board Layout of Motor Drivers میان دو مفهوم تفاوت قائل می‌شود:
- تقسیم‌بندی عملکردی مدار به بخش‌های آنالوگ، دیجیتال و قدرت
- جدا کردن فیزیکی صفحه‌های زمین
این سند توضیح می‌دهد که Partitioning الزاماً به معنای بریدن زمین آنالوگ و دیجیتال نیست.
برای بسیاری از طراحی‌ها، می‌توان قطعات را در نواحی عملکردی مناسب قرار داد و در عین حال، یک صفحه مرجع پیوسته در اختیار مسیرهای سیگنال گذاشت.
البته در بعضی مدارهای قدرت، اتصال کنترل‌شده زمین‌های مختلف ضرورت دارد. همان سند TI در صفحه ۶، برای برخی ساختارهای دارای Pre-driver به جداسازی زمین حامل جریان بالا و اتصال آن در نقطه تعیین‌شده اشاره می‌کند.
بنابراین، طراح باید روش اتصال زمین را بر اساس مسیر جریان و توصیه سازنده قطعات تعیین کند، نه صرفاً با رسم یک شکاف میان بخش آنالوگ و دیجیتال.
۴. جانمایی خازن دی‌کاپلینگ؛ چرا مقدار مناسب همیشه کافی نیست؟
خازن دی‌کاپلینگ یکی از متداول‌ترین قطعات در مدارهای میکروکنترلری است.
وظیفه آن کمک به تأمین جریان گذرای موردنیاز قطعه و کاهش تغییرات ولتاژ تغذیه در محدوده فرکانسی مناسب است.
بااین‌حال، عملکرد خازن فقط به مقدار ظرفیت آن وابسته نیست.
فرض کنید یک خازن 100nF در شماتیک دقیقاً میان پایه‌های VDD و GND قرار دارد، اما روی PCB چند سانتی‌متر با میکروکنترلر فاصله دارد.
در فرکانس‌های بالا، اندوکتانس مسیر اتصال و Viaها ممکن است امپدانس مسیر خازن را افزایش دهد. به همین دلیل، خازن دیگر نمی‌تواند مانند یک عنصر ایده‌آل در کنار پایه تغذیه عمل کند.
راهنمای Sierra Circuits در صفحات ۷۰ تا ۷۲، رفتار خازن‌های سرامیکی را توضیح می‌دهد و تأثیر اندوکتانس مسیر، Via و اتصالات را بر امپدانس شبکه تغذیه بررسی می‌کند.
چگونه از مشکلات جانمایی خازن در طراحی PCB جلوگیری کنیم؟
خازن دی‌کاپلینگ باید نزدیک پایه‌های تغذیه قرار بگیرد و اتصال آن به تغذیه و زمین، حلقه‌ای با اندوکتانس کم ایجاد کند.
Texas Instruments در صفحه ۲۰ راهنمای طراحی درایور موتور توصیه می‌کند خازن‌های بای‌پس نزدیک پایه‌های تغذیه قطعه قرار بگیرند و مسیرهای اتصال آن‌ها کوتاه باشند. شکل 5-5 در صفحه ۲۱ نیز دو نمونه جانمایی مناسب و نامناسب را مقایسه می‌کند.
این توصیه‌ها به معنی مناسب بودن یک فاصله ثابت برای همه مدارها نیست. فرکانس مؤثر، پکیج قطعه، Stack-up و ساختار اتصال، همگی در طراحی نهایی نقش دارند.
۵. چگونه مسیرهای PCB باعث ایجاد نویز در بخش‌های حساس می‌شوند؟
تصور کنید روی یک برد، درایور موتور و مدار اندازه‌گیری یک سنسور آنالوگ قرار دارند.
درایور موتور با تغییر سریع جریان و ولتاژ کار می‌کند، درحالی‌که خروجی سنسور ممکن است یک سیگنال کم‌دامنه باشد.
اگر مسیر سیگنال سنسور در مجاورت مسیرهای سوئیچینگ قرار بگیرد، امکان ایجاد تداخل وجود دارد.
این تداخل می‌تواند از دو سازوکار اصلی ناشی شود.
کوپلینگ خازنی: تغییرات ولتاژ یک مسیر از طریق ظرفیت خازنی متقابل، روی مسیر مجاور اثر می‌گذارد.
کوپلینگ القایی: تغییرات جریان و میدان مغناطیسی یک مسیر می‌تواند روی مسیر مجاور ولتاژ القا کند.
صفحه ۱۹ راهنمای Sierra Circuits هر دو مکانیسم را در بخش Crosstalk توضیح می‌دهد.
برای کاهش چنین مشکلاتی، جانمایی قطعات و مسیرکشی باید از ابتدا با توجه به بخش‌های نویزی و حساس مدار انجام شود.
برای مثال، در سند TI توصیه شده است مسیرهای حامل جریان بالا از سیگنال‌های حساس فاصله داشته باشند و مسیرهای نویزی روی صفحه زمین مناسب قرار بگیرند.
۶. مثال عملی: دو PCB برای یک شماتیک یکسان
برای درک بهتر مشکلات طراحی PCB، دو برد فرضی با شماتیک کاملاً یکسان را مقایسه می‌کنیم. تفاوت این دو نمونه فقط در جانمایی قطعات، طراحی زمین و مسیرکشی است.
فرض کنید می‌خواهیم یک برد کنترلی شامل میکروکنترلر، سنسور آنالوگ و درایور موتور طراحی کنیم.
میکروکنترلر فرمان PWM را برای درایور ارسال می‌کند و مقدار سنسور را از طریق ADC می‌خواند.
هر دو نسخه برد دقیقاً از یک شماتیک استفاده می‌کنند. تنها تفاوت در جانمایی و مسیرکشی PCB است.
مقایسه دو طراحی مفهومی
این دیاگرام‌ها شماتیک عملکردی هستند و طرح آماده تولید یا نتایج آزمایش نیستند.
طراحی A — مسیرکشی نامناسب
سنسور نزدیک مسیرهای سوئیچینگ قرار گرفته، خازن از MCU دور است و شکاف صفحه مرجع مسیر بازگشت را مختل می‌کند.
طراحی B — معماری بهبودیافته
بخش سنسور از ناحیه قدرت فاصله گرفته، خازن کنار MCU است و مسیرهای حساس روی صفحه مرجع پیوسته قرار می‌گیرند.
در طراحی A، چند عامل نامطلوب هم‌زمان وجود دارد: نزدیکی سنسور به بخش سوئیچینگ، مسیر طولانی خازن تغذیه و ناپیوستگی صفحه مرجع.
در طراحی B، این سه عامل را در معماری برد اصلاح کرده‌ایم.
انتظار مهندسی این است که تغییرات طراحی دوم، احتمال برخی مشکلات نویز و افت ولتاژ گذرا را کاهش دهند؛ اما برای اثبات عملکرد بهتر یک مدار مشخص باید هر دو برد را با شرایط آزمایش یکسان اندازه‌گیری کنیم.
چگونه تفاوت دو برد را اندازه‌گیری کنیم؟
برای ارزیابی تجربی، می‌توان ولتاژ تغذیه میکروکنترلر را هنگام روشن شدن موتور اندازه گرفت، خروجی سنسور را با اسیلوسکوپ بررسی کرد و وضعیت ریست یا خطاهای میکروکنترلر را ثبت کرد.
اندازه‌گیری‌ها باید با اتصال پروب مناسب و حلقه زمین کوتاه انجام شوند تا خود تجهیزات اندازه‌گیری نویز اضافی به نتایج وارد نکنند.
این آزمون‌ها مشخص می‌کنند که آیا اصلاح Layout واقعاً مشکل مدار موردنظر را برطرف کرده است یا باید عوامل دیگری مانند انتخاب قطعات، طراحی تغذیه و Firmware بررسی شوند.
جمع‌بندی؛ طراحی PCB بخشی از طراحی مدار است
بسیاری از مشکلات طراحی PCB با بررسی دقیق مسیرهای جریان، جانمایی قطعات و ساختار زمین پیش از تولید قابل‌پیشگیری هستند. بااین‌حال، عملکرد نهایی برد باید با آزمایش و اندازه‌گیری تأیید شود.
یک شماتیک صحیح، شرط ضروری طراحی یک مدار الکترونیکی است؛ اما به‌تنهایی عملکرد برد نهایی را تضمین نمی‌کند.
ویژگی‌های فیزیکی مسیرهای مسی، جریان‌های برگشتی، جانمایی خازن‌ها و ارتباط میان بخش‌های قدرت و سیگنال می‌توانند رفتار واقعی مدار را تغییر دهند.
به همین دلیل، طراحی PCB نباید صرفاً آخرین مرحله اتصال قطعات باشد. طراح باید از زمان جانمایی اولیه، مسیرهای جریان و اثرات احتمالی نویز را در نظر بگیرد.
پس از اصلاح مشکلات طراحی و بررسی نهایی Layout، نوبت به ساخت برد مدار چاپی می‌رسد. در این مرحله، انتخاب مشخصات تولید، تعداد لایه‌ها، ضخامت برد و پوشش سطح باید با نیازهای فنی پروژه هماهنگ باشد. برای ثبت سفارش PCB از چین می‌توانید فایل Gerber را در سامانه پایلوتک بارگذاری کنید و پس از بررسی مشخصات، قیمت و زمان تحویل را دریافت کنید.
در پایلوتک، در این مجموعه آموزشی تلاش می‌کنیم اصول طراحی و تولید PCB را از دیدگاه مهندسی بررسی کنیم تا طراحان بتوانند پیش از ارسال فایل‌های ساخت، تصمیم‌های آگاهانه‌تری بگیرند.
در مقاله بعدی، موضوع زمین آنالوگ و دیجیتال را بررسی می‌کنیم و توضیح می‌دهیم که چه زمانی جدا کردن Ground Plane مفید است و چه زمانی می‌تواند مشکل جدیدی ایجاد کند.
منابع تخصصی طراحی PCB
برای مطالعه دقیق‌تر درباره مسیرهای جریان برگشتی، طراحی زمین و کاهش نویز، می‌توانید راهنمای Best Practices for Board Layout of Motor Drivers شرکت Texas Instruments را مطالعه کنید.
همچنین راهنمای High-Speed PCB Design Guide شرکت Sierra Circuits، اصول یکپارچگی سیگنال، امپدانس کنترل‌شده و مسیرکشی PCBهای پرسرعت را بررسی می‌کند.