Ngày 04/06/2022 08:44:44 / Lượt xem: 2600 / Người đăng: biendt / Tác giả: Nguyễn Sỹ Hậu
/ Nguồn: pcbviet.com

High Speed PCB : Tìm hiểu thiết kế

Nội dung trong chuỗi bài viết tìm hiểu về high speed design pcb trên PCBVIET không cố gắng cung cấp đầy đủ về thiết kế high speed, vì có vô số những tài liệu, sách rất hay và chuyên môn cao về chủ đề này. Mục đích của bài viết này là giới thiệu các yếu tố chính của thiết kế high speed pcb và sau đó sẽ giới thiệu cách mà từng yếu tố ấy được xử lý trong thiết kế PCB bằng phần mềm thiết kế mạch Altium Designer.

Những nội dung của chuỗi bài viết học thiết kế high speed pcb được mình đọc hiểu, tổng hợp và dịch lại thành từng chủ đề theo mỗi bài viết dựa theo kinh nghiêm làm việc của mình. Nó có thể không đúng hoàn toàn, thậm trí còn sai hoàn toàn, vì có thể mình hiểu sai hoặc truyền đạt sai. Nếu bạn thấy điểm nào sai hoặc chưa đúng hãy vui lòng email cho tôi (syhaunguyen@pcbviet.com) để tôi kịp thời sửa chữa những gì tôi đã viết ra ở đây, đồng thời cũng giúp tôi cải thiện được kiến thức của mình.

High-speed PCB design là gì?

Điều gì khiến một thiết kế PCB là một thiết kế high speed pcb? Chắc chắn rằng có gì đó rất nhanh sẽ xảy ra trong thiết kế, nhưng nó không chỉ là tần số cao.

Một thiết kế PCB được cho là thiết kế high-speed PCB khi nó có những thành phần chuyển mạch rất nhanh, nhanh đến mức mà quá trình chuyển mức hoàn thành trước khi tín hiệu có thể đi đến đích.

Lấy ví dụ tín hiệu như dòng nước trong một vòi nước có một cái van nước ở đầu và trạng thái high/low (1/0) của tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái của khóa nước mở hay đóng. Áp dụng lý thuyết về chuyển mạch tốc độ cao trên kia.

Trường hợp 1: Áp suất nước ở vòi là P. Vòi nước đang đóng chuyển sang mở, tương đương với việc logic chuyển từ 0 lên 1, quá trình này mất một khoảng thời gian là T và nước đã kịp chảy ra đến đầu vòi để lấy nước.
Trường hợp 2: Áp suất nước ở vòi vẫn là P. Vòi nước đang đóng chuyển sang mở, tương đương với việc logic chuyển từ 0 lên 1, quá trình này cũng mất một khoảng thời gian T’ với T’ nhỏ hơn nhiều lần so với T, nhỏ đến mức mà nước chưa kịp chảy ra đến đầu vòi thì đã bị đóng van nước lại.
Chắc hẳn các bạn đã biết đâu là trường hợp tương tự với High-speed pcb.

Trong thực tế với những thành phần tốc độ cao, một số tài liệu còn sử dụng thuật ngữ “Fast edges” cho những thành phần tốc độ cao. Khi một tín hiệu có “fast edges” nó thay đổi cách truyền năng lượng qua các đường mạch.

Về cơ bản với những tín hiệu tốc độ thấp bạn lại liên tưởng nó như dòng nước chảy trong ống nước và ma sát của nước với ống nước là các suy hao năng lượng, nhưng phần lớn nước được đưa đến nơi. Đối với mạch DC hoặc mạch có tần số chuyển mạch thấp bạn có thể tìm ra được điện trở của đường dây và đảm bảo rằng năng lượng suy hao trên đường đi không hảnh hưởng đến hiệu suất, tín hiệu.

Nó lại không hề đơn giản như vậy ở một thiết kế tốc độ cao, bởi lẽ ở tốc độ cao các electron qua các đường mạch, một phần năng lượng truyền đi cũng bao gồm năng lượng điện từ xung quanh đường mạch do chính các electron đó tạo ra. Như vây trong một thiết kế high speed bạn không đơn thuần thiết kế đường dây dẫn đồng cho các electron nữa, bạn đang thiết kế một loạt các đường “transmission lines” được tạo trong thiết kế PCB của bạn.

Nhanh như thế nào thì được cho là high-speed PCB?

Khi chuyển mạch ở tần số cao, năng lương truyền qua các đường mạch sẽ hoạt động khác đi. Như đã đề cập ở phần trước, nó không còn di chuyển bên trong như một đường ống nữa, thay vào đó, năng lượng tập trung ở chính bề mặt của của đường mạch. Còn được gọi là “skin effect”. Với một phần năng lượng thực sự được truyền đi dưới dạng bức xạ điện từ. Không đi qua dây dẫn thực tế mà năng lượng này đi qua vật liệu xung quanh đường mạch.

Đây là lý do tại sao những high speed pcb thường được mạ vàng.

Tại sao high speed pcb thường được mạ vàng?

Khi tín hiệu tốc độ cao được truyền đi trên một bo mạch, những thuộc tính của vật liệu của PCB sẽ cho biết tín hiệu truyền nhanh như thế nào và mức độ ảnh hưởng của nó đến tốc độ truyền tín hiệu.

Khi độ trễ của tín hiệu đủ lâu, nó sẽ trở thành vấn đề lớn với thiết kế mạch high-speed. Giống như sóng đâp vào bờ, khi tín hiệu đến đích một phần năng lượng trong tín hiệu được phản xạ lại về phía nguồn phát. Nếu năng lượng phản xạ này quay lại phía nguồn phát trong khi tín hiệu của bạn vẫn trong quá trình chuyển mức thì tín hiệu ban đầu sẽ đủ mạnh để triệt tiêu phần năng lượng phản xạ này khi nó hoàn thành quá trình chuyển đổi. Nhưng nếu quá trình chuyển đổi này được hoàn thành trước khi năng lượng phản xạ quay trở lại thì tính toàn vẹn của tín hiệu sẽ gặp vấn đề.

Giống như bạn nói A… B… C vào một vách núi vậy, sóng âm phản xạ sẽ hòa cùng sóng âm của A B C bạn nói, những gì bạn nghe được sẽ không còn chính xác là A B C như bạn nói nữa. Nó hòa giữa nguồn phát và sóng âm phản xạ.

Tóm lại, khi thời gian dịch chuyển dọc theo chiều dài của đường mạch bằng hoặc dài hơn thời gian chuyển mạch thì tính toàn vẹn của tín hiệu sẽ bị nghi ngờ. Khi đó bạn mới đang thực sự thiết kế một high speed PCB.

Khi đó độ dài lớn nhất của đường mạch mà vẫn chưa bị ảnh hưởng được gọi là độ dài tới hạn; các đường mạch ngắn hơn độ dài đó sẽ không gặp phải sự cố về toàn vẹn tín hiệu. Trong khi những đường mạch dài hơn mức này có thể gặp vấn đề về bảo toàn tín hiệu.

                    Quay lại công thức vật lý : Quãng đường = Vận tốc x thời gian

Quy đổi ra các tham số thuật ngữ trong thiết kế mạch

• Quãng đường(Interconnect Lenth): là quãng đường mà tín hiệu đi từ đến đầu đến điểm cuối (Source to load). Ký hiệu là Li
• Vận tốc truyền(Propagation velocity): Tín hiệu thường chậm hơn tốc độ của ánh sáng trong môi trường chân không, nó tỷ lệ với căn bậc 2 của hằng số điện môi của vật liệu làm mạch. Ký hiệu là Vp

Công thức tính tốc độ truyền tín hiệu

Trong đó : 

• C là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không
• Er là hằng số điện môi của vật liệu PCB
• Vp là tốc độ truyền

Thời gian(Time of flight): Thời gian truyền là thời gian cần thiết để tín hiệu truyền tới đích. Ký hiệu là Tf

Với tín hiệu có thêm một thông số cần quan tâm đó là Rise time. Rise time là thời gian cần thiết kế một tín hiệu chuyển từ lức thấp sang mức cao. Một số tài liệu sử dụng quy tắc 1/3 hoặc 20% của VCC

Tìm hiểu rõ hơn về rise time (Tìm hiểu thêm các tài liệu về Rise time)

Khi đó tỷ lệ giữa thời gian truyền và Rise time sẽ quyết định nó thuộc nhóm tốc độ nào từ đó sẽ có những phương án kỹ thuật giải quyết để đảm bảo tính bảo toàn tín hiệu. Những phương án đó có thể áp dụng vào thiết kế hoặc  quá trình sản xuất.

• Slow nếu Tf/Trise < 0.25
• Fast nếu 0.25 < Tf/Trise < 1
• High speed Tf/Trise > 1

Trong thiết kế mạch, với tín hiệu tốc độ thấp sẽ không cần quan tâm và không yêu cầu những kỹ thuật đặc biệt, nhưng với những tín hiệu tốc độ cao và rất cao thì cần sử dụng một số kỹ thuật như slow down edge rate, impedance matching, path length,…

Giảm “EDGE RATE”

Như đã nói ở "Nhanh như thế nào thì được cho là high-speed PCB?" có nhiều cách kỹ thuật để đảm bảo tính bảo toàn tín hiệu cho những tín hiệu high speed. Ở tốc độ cao 0.25 < Tf/Trise < 1, nó vẫn đủ thấp để có thể áp dụng các kỹ thuật bảo toàn tín hiệu đơn giản. Để giảm chi phí thời gian mô phỏng.

Những quy tắc này được áp dụng theo kinh nghiệm, từ các phép đo nên độ chính xác hạn chế, tuy nhiên nó cũng mang lại ý nghĩa lớn cho tính bảo toàn tín hiệu. Để có hiệu quả cao cũng cần có điều chỉnh trong quá trình thử nghiệm.

Trong phần 3 này mình giới thiệu cách đơn giản, phổ biến nhất. Đó là giảm tốc độ edge rate của tín hiệu.

Thách thức của design là gì?

Thực tế Rate edge tường nhanh hơn mong muốn của một tín hiệu. chúng tương tác với độ tự cảm ký sinh và điện dung sinh ra các vấn đề như: Ringing, emi, phản xạ những vấn đề làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Để giải quyết một phần hay giảm edge rate, người ta hay sử dụng damping resistor. Ví dụ dưới đây sẽ giải thích rõ hơn tác dụng của damping resistor.

Phía trên là một kết quả mô phỏng cho một tín hiệu cơ bản truyền đi trên những đường mạch 1″ đến 6″. Tín hiệu dài hơn 2″ gặp hiện tượng ringing. Người ta giới hạn những ringing này bằng esd diode.

Giải pháp damping resistor

Kỹ hơn về damping resistor: RLC circuit (tìm hiểu thêm ở các tài liệu )

Giải pháp đơn giản để giảm edge rate với một điện trở nhỏ. Điện trở này làm tăng rise time, từ đó làm giảm tỷ lệ Tf/Trise.

Kết quả sau khi thêm damping resistor. Giá trị của resistor này cần được mô phỏng để có lựa chọn giá trị phù hợp.

Phương pháp này thuộc về giải pháp thiết kế nên sẽ không đề cập nhiều, chỉ xin giới thiệu đến các bạn một trong những cách rất đơn giản để hiểu hơn về edge rate.

Phân loại những loại tín hiệu high speed

Nếu các bạn đã đọc " High-speed PCB design là gì?"  thì các bạn hẳn đã biết khái niệm Transmission line. Nó là một khái niệm lớn tuy nhiên với thiết kế PCB các bạn cần quan tâm đến 2 loại chính:

Single-ended signaling

Mô tả tín hiệu signle-ended

Là tín hiệu phổ biến và cơ bản nhất, tín hiệu truyền đi trên một đường dây dẫn, dựa vào điện áp trên đường dây so với ground để xác định được mức logic tương ứng với logic mức cao (1) và logic mức thấp (0). Ưu điểm là triển khai rẻ, tuy nhiên việc chống nhiễu sẽ kém do:

• Điện áp tham chiếu với ground có thể khác nhau trên đường truyền.
• Điện cảm trên đường dây dẫn ảnh hưởng đến tín hiệu

Những bus tín hiệu phổ biến thường sử dụng như RS-232, PCI, I2C, TTL, VGA,....

Differential signaling

Mô tả tín hiệu differential

Differential signals hay còn gọi là tín hiệu vi sai. thuật ngữ viêt nhanh hay ghi là diff-pair. Là phương pháp truyền thông tin bằng cách sử dụng hai tin hiệu bổ sung, kỹ thuật này gửi cùng một tín hiệu trên một cặp đường truyền. Dữ liệu nhận được là một. Nếu là dây dẫn thường là cặp dây xoắn lại với nhau, nếu tín hiệu trên đường mạch thường đi song song với nhau.

Chênh lệch điện áp giữa cặp dây này sẽ đưa ra mức logic của tín hiệu cần truyền đi.

Ưu điểm của tín hiệu diff-pair trong thiết kế mạch high speed

• Nhiễu điện từ ảnh hưởng đến cả hai dây trong cặp, mà phía nhận tín hiệu chỉ phát hiện sự khác biệt giữa các dây trong cặp nên về cơ bản diff-pair khó bị nhiễu hơn.
• Truyền được xa hơn
• Ít nhiễu hơn

Tín hiệu vi sai dùng nhiều trong cả tương tự và số ví dụ như RS-422, RS-485, USB, Ethernet. Với thiết kế mạch tốc độ cao, việc làm chủ và xử lý đúng kỹ thuật cho tín hiệu differential là điều rất quan trọng.

Hay dùng mà ít người để ý đó là tín hiệu USB, các bạn cần đi USB_P và USB_M song song với nhau là điều đầu tiên cần làm được để đảm bảo tín hiệu USB truyền đi trên mạch điện tốt nhất, ngoài ra cần có những kỹ thuật điều khiển trở kháng. 

Layout tín hiệu differential cho USB 2.0

Sẽ có rất nhiều lý thuyết xoay quanh 2 loại tín hiệu, tuy nhiên trong khuôn khổ và mục tiêu của chuỗi bài viết hướng dẫn về thiết kế mạch high speed. Tôi chỉ nói ngắn gọn theo ý hiểu. Các bạn nên tham khảo thêm từ các nguồn tài liệu khác.

Trở kháng

Nội dung sẽ nói khái niệm và nguyên tắc cơ bản nhằm mục đích áp dụng vào quá trình thiết kế mạch high speed. Nhưng nội dung, hàn lâm, chuyên sâu vui lòng tham khảo thêm các nguồn tài liệu nghiên cứu. https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching hay https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21796367/back-to-basics-impedance-matching-part-1

Phối hợp trở kháng là gì?

Chơi truyền bóng với một đứa trẻ khiến tôi liên tưởng đến tín hiệu truyền đi trên PCB. Ném bóng cho trẻ nhỏ rất khó phải vừa đủ tốc độ địa điểm, lực chuyền để trẻ kịp thời xử lý thao tác đón bóng. Hầu hết trong quá trình chơi chúng ta không hề để ý quá nhiều với việc đẩy bóng đi vì nó quá đơn giản với bộ não người lớn tuy nhiên với trẻ nhỏ thì nó lại là một điều khó khăn hơn rất nhiều, để việc đón bóng đơn giản hơn với trẻ chúng ta cần điều chỉnh tốc độ, lực, hướng truyền bóng đừa đủ để trẻ đáp ứng kịp.

Việc thiết kế PCB cũng sẽ tương tự như thế, tín hiệu cũng cần đến đúng lúc và đúng mục tiêu cho dù đã vạch ra vị trí các mục tiêu nhưng những yếu tố vật lý luôn làm ảnh hưởng đến mục tiêu ấy.

Vậy impedance controlled hay còn gọi là điều khiển trở kháng là quá trình làm một đường truyền có những thuộc tính như những đường trở kháng. Nó cần thiết để phối hợp trở kháng của tải với nguồn hoặc trở kháng nội của nguồn phát.

Tại sao cần phối hợp trở kháng

Khi thiết kế với tần số cao chũng ta phải thật cẩn thận với những nguyên tắc cơ bản. Các mạch số tốc độ cao đòi hỏi các trở kháng được điều khiển rất ổn định bởi ảnh hưởng bởi EMI khả năng làm biến dạng xung, phản xạ,… làm lỗi bit dữ liệu, clock làm dữ liệu truyền đi bị sai.

Hoạt động của mạch phục thuộc vào trở kháng phù hợp với bộ điều khiển hoặc khả năng truyền tín hiệu từ nguồn tới tải, trở kháng trực tiếp nếu không được xử lý chính xác thì có tác động tiêu cực đến hiệu xuất của mạch. Nếu không có phối hợp trở kháng thích hợp, năng lượng phản xạ có thể tồn tại dọc theo đường dẫn từ nguồn tới tải.

Năng lượng phản xạ dạng sóng trong các đường tốc độ cao trộn lẫn với các tín hiệu truyền đi tạo thành nhiễu giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Khi ấy chất lượng tín hiệu bị ảnh hưởng rất nhiều. Nếu bạn thắc mắc tại sao lại có phản xạ ở đây thì các bạn có thể đọc lại phần 1

Áp dụng như thế nào vào thiết kế PCB

Trên đây là lý thuyết sẽ là không đủ nếu các bạn chỉ đọc ở đây, các bạn có thể tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nữa.

Bất kể kích thước nào của PCB, các đường mạch đều có thuộc tính Zo đại diện cho trở kháng không đổi của một đường truyền không có sóng phản xạ. Nó là lý tưởng. Khi một mạch truyền tính hiệu đến tản, sóng phản xạ truyền trở lại nguồn và trở kháng đầu vào của đường truyền thay đổi khi có thêm sóng phản xạ.

Mục tiêu của chúng ta là phối hợp trở kháng làm sao cho trở kháng tải giống như trở kháng nguồn. Để đạt được hiệu quả truyền tín hiệu chúng ta cần đạt một mục tiêu Zo = 50 ohm tại các điểm trên đường truyền.

(Bài viết hiện tại chưa hoàn thiện hết các nội dung như tính toán thông số đường dây đưa vào thiết kế. Chờ tác giả cập nhật thêm nội dung chung tôi cập nhật cho bạn đọc).

(Nguồn : pcbviet.com)