pcb فرکانس بالا چیست؟

طراحی PCB فرکانس بالا از حوزه های پیچیده در مهندسی الکترونیک است. زمانی که فرکانس افزایش پیدا می کند، نیاز به رعایت الزامات خاص و پیچیده‌ای است که عمل‌کرد صحیح سیستم را تضمین کند. پایبندی به الزامات طراحی برد فرکانس بالا، باعث حفظ یکپارچگی سیگنال، کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و عمل‌کرد بهینه برد در مونتاژ PCB می شود.

فرکانس بالا چیست؟

فرکانس بالا یا High Frequency (HF) به فرکانسی گفته می‌شود که با عبور از آن، مواردی در برد ظاهر می‌شود که باعث عمل‌کرد نادرست سیستم می شود. به طور معمولاً فرکانس بالای 100 مگاهرتز در PCB به عنوان فرکانس بالا در نظر گرفته می‌شود اما مقدار دقیق آن به نوع سیگنال، Tr و … وابسته است.

ویژگی‌های PCB فرکانس بالا

• ثابت عایق (dielectric constant) پایین: موجب انتقال بهتر سیگنال و کاهش تأخیر انتقال می شود.
• ظریب اتلاف (dissipation factor) پایین: ظریب اتلاف بین 0.0019 و 0.025 برای برد های فرکانس بالا مناسب است. با کاهش ظریب اتلاف، تلفات سیگنال و اعوجاج فاز (phase distortion) کاهش میابد.
• انبساط حرارتی (Thermal expansion) پایین : ابعاد PCB در اثر افزایش یا کاهش دما تغییر بسیار کمی خواهد داشت.
• مقاومت شیمایی بالا: در برابر حملات شیمیایی مقاومت بالایی دارند.
• جذب رطوب پایین: در برابر جذب رطوبت مقاوم هستند.

کاربرد HF PCB

• تلفن همراه
• برد های مخابراتی
• صنایع نظامی
• صنعت خودروسازی
• HDI

HDI چیست؟

برد متراکم یا High-density interconnect (HDI) به برد های مدارچاپی گفته می‌شود که اتصالات بسیار نازکی (کمتر از 0.1 میلی متر) دارند. این برد ها معمولاً در تعداد لایه‌های بالا و با دستگاه‌های پیشرفته چاپ و مونتاژ می شوند.

رعایت اصول طراحی برد فرکانس بالا برای محصولات با تکونولوژی HDI (مانند مادربرد، برد تلفن هوشمند و …) الزامی است.

جنس برد های فرکانس بالا

جنس این برد ها بر اساس شرایط محیطی سیستم و فرکانس کاری مشخص می شود. فیبر FR-4 ارزانترین گزینه به شمار می آید، اما در فرکانس بالای 1.6 گیگاهرتز، افت عمل‌کرد خواهد داشت. FR-4 یا همان فایبر گلاس با ویژگی‌های مثبت خود، محبوب‌ترین گزینه به شمار می‌آید و برای بسیاری از پروژه ها کافی است.

اگر به دنبال متریالی مشابه FR-4 ولی با ثابت دی الکتریک بهتر (محدوده فرکانسی بیشتر) هستید، راجرز (Rogers ) انتخاب مناسبی خواهد بود. اگر برد با فرکانس بالای 10 گیگاهرتز کار می کند، پلی تترا فلوئورواتیلن یا تفلون PTFE، گزینه با کیفیت تر و البته گران تر برای برد مدار چاپی است.

اصول طراحی برد های فرکانس بالا

• مهمترین اصل در طراحی برد های فرکانس بالا، اطلاع از عمل‌کرد سیستم است. باید بلوک های دیجیتال، آنالوگ، نحوه اتصال آن‌ها به یکدیگر، مسیر انتقال سیگنال، ولتاژ های تغذیه و … مسلط باشید. شناخت مدار، در چینش لایه ها، ایزوله کردن زمین‌های مختلف، رسم زوج های تفاضلی و … اهمیت ویژه ای دارد.
• همچنین اطلاع از محیطی که قرار است از برد استفاده شود، اهمیت بسیاری دارد. برای عمل‌کرد صحیح در محیط های پرنویز مانند کارخانه ها، باید به اصول طراحی برد های فرکانس بالا مسلط بود.

چینش لایه ها (Layer Stackup)

یک لایه را به عنوان زمین (Ground Plane) در نظر بگیرید تا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش داده و مسیری با امپدانس کم را برای برای جریان بازگشتی فراهم کند.

همچنین در مسیر هایی که به موازات سیگنال های فرکانس بالا کشیده می شود، تغییر لایه انجام ندهید.

Ground plane چیست؟

ناحیه بزرگی از مس در لایه‌های درونی یا بیرونی PCB است که به GND مدار متصل می‌شود و زمین بخش‌های زیادی از مدار به طور مستقیم از طریق اتصال به این Plane فراهم می شود.

طراحی مسیر های انتقال (Transmission Line)

عرض مسیر های سیگنال و فاصله بین آن‌ها را بر اساس ثابت دی الکتریک (وابسته به جنس برد و متریال بین مسیر ها)، ضخامت مسیر ها (وابسته به ضخامت مس) و امپدانس مطلوب خود محاسبه کنید. ابزارهای آنلاین و نرم‌افزار های مختلفی برای این کار وجود دارد.

امپدانس مناسب مسیر های سیگنال، باعث انتقال درست سیگنال از فرستنده به گیرنده می شود.

در زوج های تفاضلی (Differential pair) به یکسان بودن طول مسیر ها، فاصله و موازات توجه کنید تا نشت سیگنال (crosstalk) به حداقل برسد.

سیگنال های حیاطی سیستم مانند وقفه ها را از مسیر های فرکانس بالا دور نگه دارید.

زوج تفاضلی (Differential pair) چیست؟

تکنیکی که در آن دو مشابه اما با جهت مخالف، به موازات هم و با طول یکسان کشیده می شوند. این تکنیک باعث کاهش تداخل این دو سیگنال با یکدیگر می شود.

قانون 3W در طراحی PCB

فاصله بین مسیر ها (track) حداقل 3 برابر عرض آن مسیر باشد. این فاصله از زوج های تفاضلی حداقل باید 5 برابر باشد.

وایا (via)

تا حد ممکن از کمترین تعداد وایا در مسیر های فرکانس بالا استفاده کنید. استفاده از از شیلد وایا (Via Stitching) باعث دفع حرارتی بهتر و فراهم سازی مسیر کم امپدانس برای جریان بازگشتی می‌شود.

در برد های HDI از وایاهای کور (blind) و مدفون (buried) استفاده کنید. این دو نوع وایا طول کمتری از Through All Via یا وایا سراسری دارند و باعث انتقال بهتر سیگنال فرکانس بالا می شوند.

خازن های دی کوپلینگ (Decoupling)

خازن های دی کوپلینگ را در نزدیکترین نقطه به تراشه هایی با فرکانس کاری بالا (مانند پردازنده، میکروکنترلر و …) قرار دهید.

از ترکیب خازن هایی با ESR پایین (مقاومت سری داخلی خازن) و ظرفیت بالا استفاده کنید. خازن های جامد انتخابی مناسب هستند.

ESR چیست؟

در واقعیت، خازن با یک خازن ایده ال، مقاومت و سلف مدل سازی می شود. نام مقاومت سری شده با خازن ESR است. اگر مقاومت ESR خازن بالا باشد، عمل‌کرد مناسبی در جریان ها و فرکانس های بالا نخواهیم داشت.

توزیع توان (Power Distribution)

• Power Plane و Ground Plane باعث توزیع توان مناسب و کاهش افت ولتاژ در HF PCB می شود.

Power plane چیست؟

ناحیه بزرگی از مس در لایه‌های درونی یا بیرونی PCB است که به VCC مدار متصل می‌شود و ولتاژ بخش‌های زیادی از مدار به طور مستقیم از طریق اتصال به این Plane فراهم می شود. به طور کلی مشابه Ground Plane است اما به VCC مدار متصل می شود.

EMI/EMC

مسیر های فرکانس بالا را در مجاورت Ground Plane بکشید. از تکنیک های شیلد کردن (shielding) مانند Via Stitching, پلیگان و محفظه شیلد (shielding cans) استفاده کنید. تکینیک های شیلدینگ باعث کاهش تشعشع الکترومغناطیسی می شود. از تکینیک های فیلترکردن (Filtering) مانند فریت بید و چوک مد مشترک (CMC) غافل نشوید.

EMI وEMC چیست؟

EMI یا تداخل الکترومغناطیسی به معنای تداخل سیستم در اثر القاء الکترومغناطیس است. مسیر های جریان (خصوصا سیگنال های دیجیتال فرکانس بالا) یا برخی قطعات مانند سلف، رله و … تولید میدان الکترومغناطیسی می‌کنند که می‌تواند موجب القاء ولتاژ ناخواسته در سایر بخش‌های برد شود و باعث EMI شود. EMC اشاره به راهکار هایی برای مقابله با EMI دارد.

جداسازی بلوک های مدار

بلوک های مختلف مدار از نظر نوع سیگنال (آنالوگ یا دیجیتال)، فرکانس (فرکانس پایین یا بالا) و نوع (پردازش، تغذیه و …) با فاصله یا تکینک های شیلدینگ از هم جدا کنید.

ملاحظات دما (Thermal Management)

HF PCB ها می‌توانند گرما زیادی تولید کنند، از این رو توجه به کنترل دما سیستم اهمیت ویژه ای دارد.

هیت سینک، وایا های حرارتی (thermal Via ) و copper pour باعث توزیع حرارت بهتر و جلوگیری از افزایش دما در ناحیه خاصی از PCB می شود.

در جایگذاری قطعات باید به سهولت گردش هوا آن قطعه، توجه داشت تا حرارت به درستی دفع شود.

شبیه سازی (Simulations)

پیش از تولید برد فرکانس بالا، با استفاده از ابزار های شبیه سازی رفتار سیستم، امپدانس مسیر ها، EMI/EMC و … را شبیه سازی کنید و از عمل‌کرد صحیح مطمئن شوید.

نمونه سازی (Prototyping)

پیش از سفارش تعداد بالا برد، یک نمونه اولیه شامل تست پوینت ها ساخته و با بررسی سیگنال ها از عمل‌کرد سیستم مطمئن شوید.

جمع‌بندی

طراحی برد های فرکانس بالا از حوزه های پیچیده مهندسی الکترونیک است و ملاحظات زیادی دارد. باید امپدانس مناسب مسیر های فرکانس بالا  محاسبه و کنترل شود، از برد با جنس مناسب استفاده کرد، با رعایت ملاحظات EMI، تداخل الکترومغناطیسی به حداقل برسد. همچنین مدیریت دما سیستم، شبیه سازی و نمونه سازی (تست) اهمیت بالایی دارد. شما می توانید برای طراحی و مونتاژ برد مدارچاپی از کارشناسان ما در مرصا الکترونیک راهنمایی بگیرید و یا طراحی برد های خود را به مرصا بسپارید.