บทคัดย่อ: การออกแบบวงจร PCB สัญญาณผสม (แผงวงจรพิมพ์) มีความซับซ้อน โดยรูปแบบของส่วนประกอบ การกำหนดเส้นทาง และการจัดการแหล่งจ่ายไฟและสายกราวด์ส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) บทความนี้แนะนำการออกแบบการแบ่งเขตสำหรับอุปกรณ์กราวด์และแหล่งจ่ายไฟที่สามารถปรับประสิทธิภาพของวงจรสัญญาณผสมให้เหมาะสมที่สุด

เราจะลดการรบกวนระหว่างสัญญาณดิจิตอลและอนาล็อกได้อย่างไร? ก่อนการออกแบบ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานสองประการของ EMC: หลักการแรกคือการลดพื้นที่ของลูปกระแสไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุด หลักการที่สองคือการใช้ระนาบอ้างอิงเดียวสำหรับระบบ ในทางกลับกัน หากระบบมีระนาบอ้างอิงสองระนาบ ระบบอาจก่อตัวเป็นเสาอากาศไดโพล (หมายเหตุ: การแผ่รังสีของเสาอากาศไดโพลขนาดเล็กจะเป็นสัดส่วนกับความยาวของสายไฟ ขนาดของกระแสที่ไหลผ่าน และความถี่) นอกจากนี้ หากสัญญาณไม่สามารถย้อนกลับผ่านลูปที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ อาจเกิดเสาอากาศลูปขนาดใหญ่ได้ (หมายเหตุ: การแผ่รังสีของเสาอากาศลูปเล็กจะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ลูป ขนาดของกระแสที่ไหลผ่านลูป และกำลังสองของ ความถี่) ควรหลีกเลี่ยงทั้งสองสถานการณ์ในการออกแบบให้มากที่สุด

บางคนแนะนำให้แยกกราวด์ดิจิทัลและแอนะล็อกบนแผงสัญญาณผสมเพื่อให้เกิดการแยกระหว่างกัน แม้ว่าแนวทางนี้จะเป็นไปได้ แต่ก็ก่อให้เกิดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่ซับซ้อนและขนาดใหญ่ ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือการไม่สามารถเดินสายไฟข้ามช่องว่างที่แยกได้ เนื่องจากการทำเช่นนั้นอาจเพิ่มการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนข้ามได้อย่างมาก ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดที่พบในการออกแบบ PCB คือปัญหา EMI ที่เกิดจากสายสัญญาณข้ามบริเวณแยกหรือแหล่งจ่ายไฟ

ดังแสดงในรูปที่ 1 เราใช้วิธีการแบ่งส่วนที่กล่าวมาข้างต้น และเมื่อสายสัญญาณขยายช่องว่างระหว่างสองกราวด์ เส้นทางส่งคืนของกระแสสัญญาณคืออะไร สมมติว่ากราวด์ทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกันที่ไหนสักแห่ง (โดยปกติจะอยู่ที่จุดเดียว) ในกรณีนี้ กระแสกราวด์จะก่อตัวเป็นวงขนาดใหญ่ กระแสความถี่สูงที่ไหลผ่านลูปขนาดใหญ่นี้จะสร้างรังสีและการเหนี่ยวนำกราวด์สูง หากกระแสแอนะล็อกระดับต่ำไหลผ่านลูปขนาดใหญ่นี้ กระแสแอนะล็อกเหล่านั้นจะเสี่ยงต่อการรบกวนสัญญาณจากภายนอก สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดคือเมื่อมีการเชื่อมต่อกราวด์แบบแบ่งส่วนเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ ทำให้เกิดกระแสวนขนาดใหญ่มาก นอกจากนี้ การเชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลผ่านสายยาวจะสร้างเสาอากาศไดโพล

การทำความเข้าใจเส้นทางและลักษณะของกระแสที่ไหลลงสู่พื้นถือเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงการออกแบบ PCB สัญญาณผสมให้เหมาะสม วิศวกรออกแบบจำนวนมากพิจารณาเพียงว่ากระแสสัญญาณไหลไปที่ใด โดยละเลยเส้นทางกระแสเฉพาะ หากจำเป็นต้องแบ่งส่วนระนาบกราวด์ และการกำหนดเส้นทางจะต้องข้ามช่องว่างระหว่างส่วนต่างๆ ขั้นแรกให้สร้างการเชื่อมต่อจุดเดียวระหว่างพื้นที่แบ่งส่วน สร้างสะพานเชื่อมระหว่างส่วนเหล่านั้น จากนั้นจึงกำหนดเส้นทางผ่านสะพานนี้ เพื่อให้แน่ใจว่ามีเส้นทางส่งกลับกระแสตรงใต้สายสัญญาณแต่ละเส้น เพื่อลดพื้นที่ลูปให้เหลือน้อยที่สุด

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตัวแยกแสงหรือหม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อให้สามารถส่งสัญญาณไปยังช่องว่างแบบตัดขวางได้ ในกรณีแรก สัญญาณแสงจะเคลื่อนที่ผ่านช่องว่าง ประการหลัง สนามแม่เหล็กทำ อีกทางเลือกหนึ่งที่ใช้ได้คือการใช้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล โดยที่สัญญาณไหลไปเป็นเส้นหนึ่งแล้วส่งกลับผ่านอีกเส้นหนึ่ง โดยไม่จำเป็นต้องมีกราวด์เป็นเส้นทางกลับ

เพื่อเจาะลึกการรบกวนของสัญญาณดิจิทัลบนสัญญาณอะนาล็อก จำเป็นต้องเข้าใจธรรมชาติของกระแสความถี่สูง กระแสความถี่สูงมักจะเลือกเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์น้อยที่สุด (ตัวเหนี่ยวนำต่ำสุด) ซึ่งอยู่ใต้สัญญาณโดยตรง ดังนั้นกระแสที่ไหลกลับจะไหลผ่านชั้นวงจรที่อยู่ติดกัน ไม่ว่าจะเป็นกำลังหรือระนาบกราวด์

ในทางปฏิบัติ เป็นเรื่องปกติที่จะใช้กราวด์แบบรวมและแบ่ง PCB ออกเป็นส่วนอนาล็อกและดิจิทัล สัญญาณอะนาล็อกจะถูกส่งภายในพื้นที่อะนาล็อกบนชั้น PCB ทั้งหมด ในขณะที่สัญญาณดิจิทัลจะถูกส่งภายในพื้นที่ดิจิทัล วิธีนี้จะป้องกันไม่ให้กระแสไหลกลับแบบดิจิทัลไหลลงสู่กราวด์อะนาล็อก

การรบกวนจากสัญญาณดิจิทัลไปยังสัญญาณแอนะล็อกจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีการส่งสัญญาณดิจิทัลผ่านส่วนแอนะล็อกหรือในทางกลับกัน สาเหตุที่แท้จริงไม่ใช่การแบ่งส่วนกราวด์ แต่เป็นการกำหนดเส้นทางสัญญาณดิจิทัลที่ไม่เหมาะสม

การใช้กราวด์แบบรวมในการออกแบบ PCB การแบ่งพาร์ติชันวงจรดิจิทัลและแอนะล็อก และการกำหนดเส้นทางสัญญาณที่เหมาะสมมักจะแก้ไขเค้าโครงที่ซับซ้อนและความท้าทายในการกำหนดเส้นทางโดยไม่แนะนำปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการแบ่งส่วนกราวด์ ในกรณีนี้ การจัดวางส่วนประกอบและการแบ่งพาร์ติชันกลายเป็นสิ่งสำคัญต่อคุณภาพการออกแบบ ด้วยรูปแบบและเส้นทางที่เหมาะสม กระแสกราวด์ดิจิทัลจะถูกจำกัดอยู่เฉพาะในส่วนดิจิทัล เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนสัญญาณแอนะล็อก การกำหนดเส้นทางดังกล่าวต้องมีการตรวจสอบและตรวจสอบอย่างพิถีพิถันเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามกฎการกำหนดเส้นทาง 100% มิฉะนั้น เส้นสัญญาณที่ผิดพลาดเพียงเส้นเดียวอาจทำให้ PCB ที่ยอดเยี่ยมเสียหายได้

เมื่อเชื่อมต่อพินกราวด์แบบอะนาล็อกและดิจิทัลของคอนเวอร์เตอร์ A/D ผู้ผลิตส่วนใหญ่แนะนำให้เชื่อมต่อพิน AGND และ DGND ที่มีลีดที่สั้นที่สุดเข้ากับกราวด์ความต้านทานต่ำตัวเดียว (หมายเหตุ: ชิปตัวแปลง A/D ส่วนใหญ่ไม่ได้เชื่อมต่อภายในแบบอะนาล็อกและ กราวด์ดิจิทัล ซึ่งจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อพินภายนอก) อิมพีแดนซ์ภายนอกใดๆ ที่เชื่อมต่อกับ DGND สามารถจับคู่สัญญาณรบกวนดิจิทัลเพิ่มเติมในวงจรอะนาล็อกภายในของ IC ผ่านทางความจุปรสิต ตามคำแนะนำนี้ ทั้งพิน AGND และ DGND ของตัวแปลง A/D ควรเชื่อมต่อกับกราวด์แอนะล็อก แต่ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับตำแหน่งที่จะต่อกราวด์ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนสำหรับสัญญาณดิจิทัล ไปยังกราวด์แอนะล็อกหรือดิจิทัล

หากระบบมีตัวแปลง A/D เพียงตัวเดียว วิธีแก้ปัญหาก็ตรงไปตรงมา ดังแสดงในรูปที่ 3 แยกกราวด์และเชื่อมต่อส่วนกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลใต้ตัวแปลง A/D เมื่อทำเช่นนั้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสะพานที่เชื่อมต่อกราวด์ทั้งสองนั้นกว้างเท่ากับ IC และไม่มีสายสัญญาณตัดผ่านช่องว่าง

หากมีคอนเวอร์เตอร์ A/D จำนวนมากในระบบ เช่น คอนเวอร์เตอร์ A/D 10 ตัว จะเชื่อมต่อได้อย่างไร? หากเชื่อมต่อกราวด์อะนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลเข้าด้วยกันภายใต้คอนเวอร์เตอร์ A/D แต่ละตัว จะส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อหลายจุด และการแยกระหว่างกราวด์อะนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลจะไม่มีความหมาย หากไม่เชื่อมต่อในลักษณะนี้จะเป็นการฝ่าฝืนข้อกำหนดของผู้ผลิต
วิธีที่ดีที่สุดคือใช้พื้นที่ที่เป็นเอกภาพตั้งแต่เริ่มต้น ดังแสดงในรูปที่ 4 พื้นแบบรวมจะแบ่งออกเป็นส่วนอะนาล็อกและส่วนดิจิทัล โครงร่างและการเดินสายนี้ไม่เพียงแต่ตรงตามข้อกำหนดของผู้ผลิตอุปกรณ์ IC สำหรับการเชื่อมต่อความต้านทานต่ำระหว่างพินกราวด์แบบอะนาล็อกและดิจิทัลเท่านั้น แต่ยังไม่ได้สร้างเสาอากาศแบบวนรอบหรือเสาอากาศแบบไดโพลที่อาจทำให้เกิดปัญหา EMC

หากคุณมีข้อสงสัยเกี่ยวกับการใช้วิธีการแบบครบวงจรสำหรับการออกแบบ PCB สัญญาณผสม คุณสามารถใช้วิธีการแบ่งส่วนชั้นกราวด์เพื่อจัดวางและกำหนดเส้นทางแผงวงจรทั้งหมดได้ ในระหว่างการออกแบบ ให้ใส่ใจกับการทำให้แผงวงจรเชื่อมต่อเข้าด้วยกันได้ง่ายขึ้นโดยใช้จัมเปอร์ที่มีระยะห่างน้อยกว่า 1/2 นิ้วหรือตัวต้านทาน 0 โอห์มในระหว่างการทดลองในภายหลัง ให้ความสนใจกับการแบ่งพาร์ติชันและการกำหนดเส้นทาง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีสายสัญญาณดิจิทัลอยู่เหนือส่วนอะนาล็อกในทุกเลเยอร์ และไม่มีสายสัญญาณอะนาล็อกอยู่เหนือชิ้นส่วนดิจิทัล ยิ่งกว่านั้นไม่มีสายสัญญาณใดสามารถข้ามช่องว่างกราวด์หรือแบ่งช่องว่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟได้ หากต้องการทดสอบฟังก์ชันและประสิทธิภาพของ EMC ของแผงวงจร ให้เชื่อมต่อกราวด์ทั้งสองเข้าด้วยกันโดยใช้ตัวต้านทานหรือจัมเปอร์ 0 โอห์ม และทดสอบฟังก์ชันและประสิทธิภาพของ EMC ของแผงวงจรอีกครั้ง เมื่อเปรียบเทียบผลการทดสอบจะพบว่าในเกือบทุกกรณี วิธีการแบบครบวงจรนั้นเหนือกว่าแนวทางแบบแบ่งในแง่ของฟังก์ชันและประสิทธิภาพของ EMC

#วิธีแบ่งที่ดินยังมีประโยชน์อยู่ไหม?
วิธีการนี้สามารถใช้ได้ใน 3 สถานการณ์ต่อไปนี้: อุปกรณ์ทางการแพทย์บางชนิดต้องใช้กระแสไฟรั่วระหว่างวงจรและระบบที่เชื่อมต่อกับผู้ป่วยต่ำ; เอาต์พุตของอุปกรณ์ควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมบางอย่างอาจเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้าเครื่องกลที่มีสัญญาณรบกวนสูงและกำลังสูง อีกสถานการณ์หนึ่งคือเมื่อโครงร่างของ PCB อยู่ภายใต้ข้อจำกัดเฉพาะ
โดยทั่วไปแล้ว บนบอร์ด PCB สัญญาณผสมจะมีแหล่งจ่ายไฟดิจิทัลและอนาล็อกแยกกัน และสามารถใช้ระนาบกำลังแยกได้และควรใช้ได้ อย่างไรก็ตาม สายสัญญาณที่อยู่ติดกับระนาบกำลังไฟฟ้าจะไม่สามารถข้ามช่องว่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟได้ และสายสัญญาณทั้งหมดที่ข้ามช่องว่างนี้จะต้องอยู่บนชั้นวงจรที่อยู่ติดกับระนาบกราวด์ขนาดใหญ่ทันที ในบางกรณี การออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบอะนาล็อกที่มีสายเชื่อมต่อ PCB แทนที่จะเป็นระนาบเดียวสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการแยกระนาบกำลังได้

การออกแบบ PCB สัญญาณผสมเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน และควรสังเกตประเด็นต่อไปนี้ในระหว่างกระบวนการออกแบบ:

1. แบ่ง PCB ออกเป็นส่วนแยกอะนาล็อกและดิจิทัล
2. การจัดวางส่วนประกอบให้เหมาะสม
3. ตัวแปลง A/D ถูกวางขวางพาร์ติชัน
4. อย่าแบ่งดิน.. วางชิ้นส่วนอะนาล็อกและดิจิตอลของแผงวงจรไว้ใต้พื้นอย่างสม่ำเสมอ
5. ในทุกชั้นของแผงวงจร สัญญาณดิจิทัลสามารถส่งผ่านเฉพาะในส่วนดิจิทัลของบอร์ดเท่านั้น
6. ในทุกเลเยอร์ของแผงวงจร สัญญาณแอนะล็อกสามารถส่งได้เฉพาะในส่วนแอนะล็อกของบอร์ดเท่านั้น
7. ใช้การแบ่งแหล่งพลังงานแอนะล็อกและดิจิทัล
8. การเดินสายไฟไม่สามารถข้ามช่องว่างระหว่างพื้นผิวแหล่งจ่ายไฟที่ถูกแบ่งได้
9. สายสัญญาณที่ต้องข้ามช่องว่างระหว่างแหล่งจ่ายไฟแบบแยกควรอยู่บนชั้นสายไฟที่อยู่ติดกับกราวด์พื้นที่ขนาดใหญ่
10. วิเคราะห์เส้นทางและรูปแบบที่แท้จริงของกระแสที่ไหลกลับลงสู่พื้น
11. ใช้กฎการเดินสายไฟที่ถูกต้อง