الملخص: يعد تصميم دوائر PCB (لوحة الدوائر المطبوعة) ذات الإشارة المختلطة أمرًا معقدًا، حيث يؤثر تخطيط المكونات والتوجيه والتعامل مع مصادر الطاقة والخطوط الأرضية بشكل مباشر على أداء الدائرة والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC). تقدم هذه الورقة تصميمًا لتقسيم المناطق لإمدادات الطاقة الأرضية والتي يمكنها تحسين أداء دوائر الإشارة المختلطة.

كيف يمكننا تقليل التداخل المتبادل بين الإشارات الرقمية والتناظرية؟ قبل التصميم، من المهم فهم مبدأين أساسيين للتوافق الكهرومغناطيسي: المبدأ الأول هو تقليل مساحة الحلقات الحالية قدر الإمكان؛ المبدأ الثاني هو استخدام مستوى مرجعي واحد للنظام. على العكس من ذلك، إذا كان النظام يحتوي على طائرتين مرجعيتين، فقد يشكل هوائي ثنائي القطب (ملاحظة: إشعاع هوائي ثنائي القطب صغير يتناسب مع طول الأسلاك، وحجم التيار المتدفق من خلالها، والتردد). بالإضافة إلى ذلك، إذا لم تتمكن الإشارات من العودة عبر أصغر الحلقات الممكنة، فقد يتم تشكيل هوائي حلقة كبيرة (ملاحظة: يتناسب إشعاع هوائي الحلقة الصغيرة مع مساحة الحلقة، وحجم التيار المتدفق عبر الحلقة، ومربع التردد). وينبغي تجنب كلا السيناريوهين قدر الإمكان في التصميم.

يقترح البعض فصل الأرضية الرقمية عن الأرضية التناظرية على لوحات الإشارة المختلطة لتحقيق العزل بينهما. وفي حين أن هذا النهج ممكن، فإنه يطرح العديد من القضايا المحتملة، وخاصة في الأنظمة المعقدة والواسعة النطاق. المشكلة الأكثر أهمية هي عدم القدرة على توجيه الأسلاك عبر الفجوات المقسمة، لأن القيام بذلك يمكن أن يؤدي إلى زيادة الإشعاع الكهرومغناطيسي والتداخل المتبادل للإشارة بشكل كبير. المشكلة الأكثر شيوعًا التي تتم مواجهتها في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي مشكلات EMI الناشئة عن عبور خطوط الإشارة فوق الأراضي المنقسمة أو مصادر الطاقة.

كما هو موضح في الشكل 1، نعتمد طريقة التجزئة المذكورة أعلاه، وعندما يمتد خط الإشارة الفجوة بين أرضين، ما هو مسار العودة لتيار الإشارة؟ بافتراض أن الأرضين المجزأتين متصلتان في مكان ما (عادة عند نقطة واحدة)، في هذه الحالة، سيشكل التيار الأرضي حلقة كبيرة. تولد التيارات عالية التردد التي تتدفق عبر هذه الحلقة الكبيرة إشعاعًا ومحاثة أرضية عالية. إذا تدفقت تيارات تناظرية منخفضة المستوى عبر هذه الحلقة الكبيرة، فإنها تكون عرضة لتداخل الإشارة الخارجية. السيناريو الأسوأ هو عندما يتم توصيل الأسباب المجزأة بمصدر الطاقة، مما يشكل حلقة تيار كبيرة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي توصيل الأرضية التناظرية والرقمية عبر سلك طويل إلى إنشاء هوائي ثنائي القطب.

يعد فهم مسار وطريقة عودة التيار إلى الأرض أمرًا بالغ الأهمية لتحسين تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور للإشارات المختلطة. يهتم العديد من مهندسي التصميم فقط بمكان تدفق تيار الإشارة، مع إهمال المسار الحالي المحدد. إذا كان تجزئة مستوى الأرض ضروريًا، ويجب أن يجتاز التوجيه الفجوة بين المقاطع، فقم أولاً بإنشاء اتصال أحادي النقطة بين الأراضي المقسمة، وتشكيل جسر بينهما، ثم التوجيه عبر هذا الجسر. وهذا يضمن مسار عودة مباشر للتيار أسفل كل خط إشارة، مما يقلل من مساحة الحلقة.

يمكن أيضًا استخدام العوازل أو المحولات الضوئية لتمكين الإشارات من عبور الفجوات المجزأة. في الحالة الأولى، تعبر الإشارات الضوئية الفجوة؛ وفي الحالة الأخيرة، تقوم المجالات المغناطيسية بذلك. هناك خيار آخر قابل للتطبيق وهو استخدام الإشارات التفاضلية، حيث تتدفق الإشارة إلى خط واحد وتعود عبر خط آخر، مما يلغي الحاجة إلى الأرض كمسار عودة.

للتعمق في تداخل الإشارات الرقمية مع الإشارات التناظرية، من الضروري فهم طبيعة التيارات عالية التردد. تختار التيارات عالية التردد دائمًا المسار الأقل ممانعة (أدنى محاثة)، مباشرة أسفل الإشارة، وبالتالي تتدفق التيارات المرتدة عبر طبقات الدائرة المجاورة، سواء كانت طاقة أو مستويات أرضية.

من الناحية العملية، من الشائع استخدام أرضية موحدة وتقسيم PCB إلى أقسام تناظرية ورقمية. يتم توجيه الإشارات التناظرية داخل المنطقة التناظرية على جميع طبقات PCB، بينما يتم توجيه الإشارات الرقمية داخل المنطقة الرقمية. وهذا يمنع تيارات العودة الرقمية من التدفق إلى الأرض التناظرية.

ينشأ التداخل من الإشارات الرقمية إلى الإشارات التناظرية فقط عندما يتم توجيه الإشارات الرقمية عبر القسم التناظري أو العكس. السبب الجذري ليس تجزئة الأرض ولكن التوجيه غير السليم للإشارات الرقمية.

غالبًا ما يؤدي اعتماد أرضية موحدة في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتقسيم الدوائر الرقمية والتناظرية وتوجيه الإشارة المناسبة إلى حل تحديات التخطيط والتوجيه المعقدة دون تقديم مشكلات محتملة من التجزئة الأرضية. في هذه الحالة، يصبح وضع المكونات وتقسيمها أمرًا محوريًا لجودة التصميم. مع التخطيط والتوجيه المناسبين، تقتصر التيارات الأرضية الرقمية على القسم الرقمي، مما يؤدي إلى تجنب التداخل مع الإشارات التناظرية. يتطلب مثل هذا التوجيه فحصًا وتحققًا دقيقًا لضمان الامتثال بنسبة 100% لقواعد التوجيه. وبخلاف ذلك، يمكن أن يؤدي خط إشارة واحد تم توجيهه بشكل خاطئ إلى إتلاف لوحة PCB ممتازة.

عند توصيل الأطراف الأرضية التناظرية والرقمية لمحول A/D، توصي معظم الشركات المصنعة بتوصيل أطراف AGND وDGND بأقصر الأسلاك إلى أرضي واحد منخفض المعاوقة (ملاحظة: معظم شرائح محول A/D لا تقوم بتوصيل منافذ تناظرية ورقمية داخليًا) لأسباب رقمية، مما يستلزم اتصالات دبوس خارجية). يمكن لأي مقاومة خارجية متصلة بـ DGND أن تربط المزيد من الضوضاء الرقمية بالدوائر التناظرية الداخلية لـ IC من خلال السعة الطفيلية. باتباع هذه التوصية، يجب توصيل كل من أطراف AGND وDGND الخاصة بمحول A/D بالأرض التناظرية، لكن هذا يثير تساؤلات حول مكان تأريض مكثفات الفصل للإشارات الرقمية – بالأرضية التناظرية أو الرقمية.

إذا كان النظام يحتوي على محول A/D واحد فقط، فإن الحل يكون واضحًا ومباشرًا. كما هو موضح في الشكل 3، قم بتقسيم الأرض وتوصيل المقاطع الأرضية التناظرية والرقمية أسفل محول A/D. عند القيام بذلك، تأكد من أن الجسر الذي يربط بين الأرضين يكون بعرض IC، ولا تعبر أي خطوط إشارة الفجوة.

إذا كان هناك العديد من محولات A/D في النظام، مثل 10 محولات A/D، فكيف يتم توصيلها؟ إذا تم توصيل الأرض التناظرية والأرضية الرقمية معًا تحت كل محول A/D، فسيؤدي ذلك إلى نقاط اتصال متعددة، وسيكون العزل بين الأرض التناظرية والأرضي الرقمي بلا معنى. إذا لم يتم توصيله بهذه الطريقة، فسوف ينتهك متطلبات الشركة المصنعة.
أفضل طريقة هي استخدام أرضية موحدة في البداية. وكما هو موضح في الشكل 4، تنقسم الأرض الموحدة إلى جزء تناظري وجزء رقمي. لا يفي هذا التصميم والأسلاك بمتطلبات الشركات المصنعة لأجهزة IC للاتصالات ذات المعاوقة المنخفضة بين الأطراف الأرضية التناظرية والرقمية فحسب، بل لا يؤدي أيضًا إلى إنشاء هوائيات حلقية أو هوائيات ثنائية القطب يمكن أن تسبب مشاكل EMC.

إذا كانت لديك شكوك حول استخدام نهج موحد لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الإشارة المختلطة، فيمكنك استخدام طريقة تجزئة الطبقة الأرضية لتخطيط وتوجيه لوحة الدائرة بأكملها. أثناء التصميم، انتبه إلى تسهيل توصيل لوحة الدائرة الكهربائية معًا باستخدام وصلات وصل بمسافة أقل من 1/2 بوصة أو مقاومات 0 أوم أثناء التجارب اللاحقة. انتبه إلى التقسيم والتوجيه، مع التأكد من عدم وجود خطوط إشارة رقمية فوق الجزء التناظري في جميع الطبقات، وعدم وجود خطوط إشارة تناظرية فوق الجزء الرقمي. علاوة على ذلك، لا يمكن لأي خط إشارة عبور الفجوة الأرضية أو تقسيم الفجوة بين مصادر الطاقة. لاختبار وظيفة وأداء EMC للوحة الدائرة، قم بتوصيل الأرضين معًا باستخدام مقاومة أو وصلة 0 أوم، وأعد اختبار الوظيفة وأداء EMC للوحة الدائرة. وبمقارنة نتائج الاختبار، يتبين أنه في جميع الحالات تقريبًا، يتفوق النهج الموحد على النهج المقسم من حيث الوظيفة وأداء التوافق الكهرومغناطيسي.

#هل لا تزال طريقة تقسيم الأرض مفيدة؟
يمكن استخدام هذه الطريقة في الحالات الثلاث التالية: تتطلب بعض الأجهزة الطبية تيارًا منخفض التسرب بين الدوائر والأنظمة المتصلة بالمريض؛ قد يتم توصيل مخرجات بعض معدات التحكم في العمليات الصناعية بأجهزة كهروميكانيكية ذات ضوضاء عالية وطاقة عالية؛ هناك موقف آخر عندما يخضع تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور لقيود محددة.
عادةً ما تكون هناك مصادر طاقة رقمية وتناظرية منفصلة على لوحات PCB ذات الإشارة المختلطة، ومن الممكن، بل وينبغي، استخدام مستوى طاقة منقسم. ومع ذلك، لا يمكن لخطوط الإشارة المتاخمة مباشرة لمستوى القدرة أن تعبر الفجوة بين مصادر الطاقة، ويجب أن تكون جميع خطوط الإشارة التي تعبر هذه الفجوة موجودة على طبقة الدائرة المتاخمة مباشرة للمستوى الأرضي الكبير. في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي تصميم مصدر الطاقة التناظري باستخدام خطوط توصيل PCB بدلاً من مستوى واحد إلى تجنب مشكلة تقسيم مستوى الطاقة.

يعد تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الإشارة المختلطة عملية معقدة، ويجب ملاحظة النقاط التالية أثناء عملية التصميم:

1. قم بتقسيم PCB إلى أقسام تناظرية ورقمية منفصلة.
2. التخطيط السليم للمكونات.
3. يتم وضع محولات A/D عبر القسم.
4. لا تقسم الأرض. ضع الأجزاء التناظرية والرقمية من لوحة الدائرة بشكل موحد تحت الأرض.
5. في جميع طبقات لوحة الدائرة، لا يمكن توجيه الإشارات الرقمية إلا في الجزء الرقمي من اللوحة.
6. في جميع طبقات لوحة الدائرة، لا يمكن توجيه الإشارات التناظرية إلا في الجزء التناظري من اللوحة.
7. تنفيذ تقسيم مصادر الطاقة التناظرية والرقمية.
8. لا يمكن للأسلاك أن تعبر الفجوة بين أسطح مصدر الطاقة المقسمة.
9. يجب أن يكون خط الإشارة الذي يجب أن يعبر الفجوة بين مصادر الطاقة المقسمة موجودًا على طبقة الأسلاك المتاخمة مباشرة للمساحة الكبيرة من الأرض.
10. قم بتحليل المسار والوضع الفعليين للتيار المتدفق عائداً إلى الأرض.
11. اعتماد قواعد الأسلاك الصحيحة.