Quy chuẩn thiết kế công tắc nguồn PCB

I. Sơ đồ nguyên lý và quy trình thiết kế PCB

Xây dựng tham số linh kiện ->Nhập bảng mạch nguyên lý ->Thiết kế tham số cài đặt -> Bố cục thủ công -> Sắp xếp đường dây thủ công -> Xác thực thiết kế -> Kiểm tra lại -> Xuất file dạng CAM.

II. Tham số cài đặt khoảng cách giữa các dây dẫn phải đảm bảo yêu cầu an toàn điện và thuận tiện cho thao tác cũng như sản xuất, khoảng cách nên đủ rộng. Khoảng cách tối thiểu phải đáp ứng được mức điện áp, khi mật độ bố trí dây thấp, khoảng cách giữa các dây tín hiểu có thể tăng, đối với dây tín hiệu có chênh lệch điện áp cao thấp nên ngắn và có khoảng cách lớn, thông thường khoảng cách đi dây thiết kế là 8 mil. Khoảng cách từ viền lỗ khoan trong của lớp hàn đệm đến viền bảng mạch in phải lớn hơn 1mm, như vậy có thể tránh việc gia công lỗi làm hỏng lớp hàn đệm. Khi lớp hàn đệm kết nối với đường dây khá dày đặc, cần thiết kế liên kết giữa lớp hàn đệm và đường dây dạng giọt nước, như vậy lớp hàn đệm sẽ khó bị nổi gợn sóng hơn, đường dây và lớp hàn đệm cũng khó bị đứt quãng hơn.

III. Thực tiễn bố trí linh kiện đã chứng minh, dù thiết kế sơ đồ đường điện chính xác, thiết kế mạch điện in không thích hợp cũng sẽ khiến mức chuẩn xác thiết bị điện tử khi sản xuất gặp nhiều khó khăn. Ví dụ, nếu 2 dây song song trên mạch in quá gần nhau sẽ hình thành việc chậm trễ tín hiệu dạng sóng, đoạn cuối của dây truyền dẫn sẽ hình thành tiếng ồn phản xạ; do việc suy xét điện nguồn, dây trung hòa không thấu đáo dẫn đến ảnh hưởng, khiến tính năng của sản phẩm bị giảm, do đó khi thiết kế mạch in nên chú ý sử dụng phương pháp chính xác.

Mỗi 1 công tắc điện nguồn sẽ có 4 mạch dòng:

(1) Mạch dòng giao lưu công tắc nguồn.

(2). Mạch dòng giao lưu chỉnh lưu output

(3). Mạch nguồn tín hiệu input

(4). Mạch phụ tải output

Mạch dòng output thông qua 1 dòng điện gần giống với DC nạp điện cho tụ điện, tụ điện lọc có tác dụng tích trữ năng lượng, tụ điện lọc output cũng dùng để tích trữ năng lượng cao tần từ thiết bị chỉnh lưu output, đồng thời xóa bỏ năng lượng DC của mạch dòng phụ tải output. Vì vậy, đầu dây nối của tụ điện lọc input và output rất quan trọng, mạch dòng input và output chỉ nên kết nối tới nguồn điện thông qua đầu dây kết nối với tụ điện lọc; Nếu giữa mạch dòng input/ouput và công tắc nguồn/mạch chỉnh lưu không thể kết nối trực tiếp với dầu dây nối tụ điện, năng lượng giao lưu sẽ truyền vào hoặc đi ra tụ điện lọc và bức xạ vào trong môi trường. Mạch giao lưu công tắc nguồn và mạch giao lưu của thiết bị chỉnh lưu bao gồm dòng điện hình thang biên độ cao, dòng điện này có thành phần sóng điều hòa rất cao, tần suất của nó lớn hơn tần suất cơ sở của công tắc, biên độ tối đa có thể bằng 5 lần biên độ dòng điện input/output trực tiếp, thời gian quá độ thông thường khoảng 50ns. 2 mạch dòng này rất dễ sinh ra điện từ gây nhiễu, do vậy trước khi bố trí dây mạch in khác trong nguồn điện phải bố trí xong những mạch dòng giao lưu này, 3 loại linh kiện chính của mỗi mạch dòng này gồm tụ điện lọc, công tắc nguồn hoặc thiết bị chỉnh lưu, điện cảm hoặc thiết bị biến áp cần được đặt gần nhau, điều chỉnh vị trí linh khiện giúp đường điện giữa các linh kiện ngắn nhất có thể.

Cách thiết lập bố cục công tắc nguồn gần giống với thiết kế các thiết bị điện khác, quy trình thiết kế tối ưu nhất như sau:

1. Đặt thiết bị biến áp

2. Thiết kế mạch dòng công tắc nguồn

3. Thiết kế mạch dòng thiết bị chỉnh lưu output

4. Mạch điều khiển kết nối đến đường điện nguồn giao lưu

5. Thiết kế mạch dòng nguồn điện input và thiết bị lọc output

Thiết kế mạch phụ tải output và thiết bị lọc output dựa vào tính năng của đường điện, khi tiến hành bố trí toàn bộ linh kiện của đường điện, cần đáp ứng những nguyên tắc sau:

(1) Trước tiên phải tính đến kích thước của PCB. Khi kích thước của PCB quá lớn, dây dài, trở kháng tăng, khả năng kháng ồn giảm, chi phí cũng sẽ tăng; Nếu quá nhỏ thì tản nhiệt không tốt, và các dây lân cận dễ bị nhiễu. Hình dạng mạch điện tối ưu nhất là hình chữ nhật, tỉ lệ dài rộng là 3:2 hoặc 4:3, linh kiện ở sát rìa mạch điện, thông thường cách rìa mạch tối thiểu 2mm.

(2) Khi đặt linh kiện cần suy xét đến việc hàn, không nên quá dày đặc.

(3) Lấy linh kiện chính của mỗi đường diện tính năng làm tâm, tiến hành bố trí xung quanh. Linh kiện nên đồng đều, cân bằng và liền kề trên PCB, cố gắng giảm và rút ngắn dây dẫn và kết nối giữa các linh kiện, tụ khử ghép nên cố gắng đặt gần VCC của các linh kiện.

(4) Đường điện làm việc dưới tần áp cao, nên suy xét tham số pphaan bố giữa các linh kiện. Thông thường đường điện nên cố gắng sắp xếp song song với linh kiện. Như vậy không những đẹp mắt, mà còn dễ dàng hàn, sản xuất số lượng lớn.

(5) Dựa vào quy trình đường điện sắp xếp vị trí đường điện của các tính năng, khiến bố cục dễ truyền tín hiệu và giúp tín hiệu có thể duy trì phương hướng thống nhất.

(6) Nguyên tắc đầu tiên của bố cục là phải đảm bảo tỉ lệ thông suốt của đường dây, khi di chuyển linh kiện cần chú ý kết nối của dây nối, đặt các linh kiện kết nối dây với nhau vào cùng một chỗ.

(7) Cố gắng giảm thiểu diện tích đường vòng, để giảm thiếu nhiễu bức xạ công tắc nguồn

IV. Trong công tắc nguồn gồm tín hiệu cao tần, trên PCB bất kỳ dây khống chế nào cũng có tác dụng của dây ăng ten, độ dài và rộng của dây cáp mạch in ảnh hưởng khả năng kháng trở và điện cảm, từ đó ảnh hưởng đến tần suất phản ứng. Cho dù là cáp mạch in truyền tín hiệu trực tiếp cũng sẽ liên kết với cáp mạch in ở lân cận ghép tín hiệu tần số vô tuyến (RF) và gây ra vấn đề về đường điện (thậm chí bức xa tiếp tục gây nhiễu tín hiệu). Do đó nên cố gắng thiết kế toàn bộ cáp mạch in giao lưu bằng dòng điện ngắn và rộng, như vậy có nghĩa là sẽ phải đặt các linh kiện kết nối tới cáp và các dây nguồn khác rất gần nhau. Độ dài của dây cáp tỉ lệ thuận với điện cảm mà nó thế hiện và trở kháng, còn độ rộng tỉ lệ nghịch với điện cảm của cáp và trở kháng. Độ dài phản ánh chiều dài bước sóng phản ứng của cáp, độ dài càng lớn, tần suất gửi và nhận của cáp càng thấp, bức xạ càng nhiều năng lượng tần số vô tuyến. Dựa vào kích thước dòng điện của mạch in, cố gắng tăng độ rộng dây nguồn, giảm điện trở vòng quanh. Đồng thời khiến hướng đi của dây nguồn, dây trung hòa thống nhất với hướng của dòng điện, như vậy sẽ rất có llowij cho việc tăng khả năng chống tiếng ồn. Tiếp đất là tuyến phụ lớp bottom của 4 mạch dòng công tắc nguồn, có vai trò rất quan trọng trong việc tham khảo đường điện, là một trong những phương pháp quan trọng để khống chế gây nhiễu. Do đó, trong bố cục nên xem xét kỹ lưỡng vị trí đặt dây tiếp đất, gộp chung các loại tiếp đất sẽ khiến nguồn làm việc không ổn định.

Trong thiết kế dây trung hòa, có một số điểm cần chú ý

1. Lựa chọn chính xác 1 điểm tiếp đất thông thường, tụ điện lọc chung nên là điểm kết nối duy nhất của các điểm tiếp đất khác liên kết đến vùng giao lưu của các dòng điện lớn, điểm tiếp đất của đường điện cùng cấp nên gần nhau và tụ điện lọc nguồn của đường điện cấp này cũng nên tiếp tại điểm tiếp đất cấp này, chủ yếu suy xét tới dòng điện của các phần đường điện tiếp đất có thay đổi, vì trở kháng của đường dây chạy qua dẫn đến sự thay đổi của các vị trí tiếp đất các đường dây dẫn đến bị nhiễu. Trong công tắc nguồn này, ảnh hưởng điện cảm của dây và linh kiện khá nhỏ, còn hoàn lưu hình thành bởi đường điện tiếp đất ảnh hưởng gây nhiễu khá lớn, do đó áp dụng hình thức tiếp đất 1 điểm, tức cho dây tiếp đất của các linh kiện trong mạch dòng công tắc nguồn đều kết nối với chân tiếp đất, dây tiếp đất của các linh kiện mạch dòng thiết bị chỉnh lưu output cũng kết nối với chân tiếp đất tụ điện lọc tương ứng, như vậy nguồn điện làm việc tương đối ổn định, khó tự kích hoạt. Khi không thể làm tại 1 điểm, tại điểm chung kết nối 2 ống cấp 2 hoặc 1 điện trở, thực ra tập trung tiếp đất tại 1 lá đồng là được.

2. Nếu dây tiếp đất rất mỏng cố gắng tăng độ dày, vị trí tiếp đất sẽ thay đổi theo thay đổi của dòng điện, khi dòng điện tín hiệu hẹn giờ của thiết bị điện tử không ổn định, tính năng chống ồn sẽ bị ảnh hưởng, do đó cần đảm  bảo đầu tiếp đất của mỗi dòng điện lớn cố gắng sử dụng cáp ngắn và rộng, cố gắng tăng độ rộng của nguồn và dây tiếp đất, tốt nhất là dây tiếp đất lớn hơn dây nguồn, mối liên quan giữa chúng là: Dây tiếp đất > dây nguồn > dây tín hiệu, nếu có thể, độ rộng của dây tiếp đất nên > 3mm, cũng có thể dùng lớp đồng diện tích lớn làm dây tiếp đất, trên mạch in những vị trí không sử dụng sẽ kết nối làm dây tiếp đất.

Khi tiến hành bố trí dây, cần tuân thủ quy tắc sau

(1). Hướng dây: từ mặt hàn, vị trí sắp xếp linh kiện nên cố gắng thống nhất với sơ đồ nguyên lý, hướng dây tốt nhất nên thống nhất với hướng đi dây sơ đồ đường điện, vì trong quá trình sảnh xuất thông thường cần kiểm tra các tham số trên mặt hàn, tiện cho việc kiểm tra-chạy thử-chỉnh sửa trong quá trình sản xuất (ghi chú: tiền đề là đáp ứng tính năng của đường điện và yêu cầu lắp đặt thiết bị hoàn chỉnh với bố cục mạnh).

(2). Khi thiết kế sơ đồ dây, cố gắng hạn chế vòng dây, độ rộng trên đoạn cong không nên đột biến, góc vòng của dây dẫn nên ≥ 90⁰, đường dây cố gắng đơn giản và rõ ràng.

(3). Trong mạch điện in không cho phép có đường điện giao thoa, đối với những dây có khả năng giao thoa, có thể dùng “xuyên qua”, “đi vòng” để giải quyết. Tức cho dây dẫn nào đó xuyên khoa chỗ trống phía dưới chân điện trở, tụ điện, ống cấp 3, hoặc từ 1 đầu của dây dẫn nào đó vòng qua, trong tình huống đặc biệt đường điện rất phức tạp, để đơn giản hóa thiết kế cũng cho phép dùng dây dẫn liên kết, giải quyết vấn đề đường điện giao thoa. Vì sử dụng  mạch 1 mặt, linh kiện xuyên lỗ đặt trên lớp top, linh kiện dán (SMT) đặt trên lớp bottom, do đó khi thiết kế bố cục linh kiện xuyên lỗ có thể giao thoa với linh kiện dán mặt, nhưng cần tránh lớp hàn đệm bị trùng lặp.

3. Trong công tắc nguồn tiếp đất input và output, sử dụng điện áp thấp DC-DC, muốn điện áp ra phản hồi sơ cấp về máy biến áp, đường điện 2 bên nên tiếp đất cùng, do đó sau khi phủ đồng cho dây tiếp đất 2 bên, còn cần kết nối lại để hình thành điểm chung

V. Kiểm tra

Sau khi hoàn thành thiết kế, cần kiểm tra lại thiết kế có phù hợp với quy tắc của nhà sản xuất hay không, đồng thời cũng cần xác nhận quy tắc đã đặt ra có phù hợp với yêu cầu công nghệ sản xuất mạch in không, thông thường kiếm tra khoảng cách giữa các dây, dây và lớp hàn đệm linh kiện, dây và lỗ xuyên qua, lớp hàn đệm linh kiện và lỗ xuyên qua, giữa các lỗ xuyên có hợp lý hay không, có đáp ứng yêu cầu sản xuất hay không. Độ rộng của dây nguồn và dây tiếp đất có hợp lý không, trong PCB còn vị trí nào có thể tăng độ rộng của dây tiếp đất không. Lưu ý: có một số lỗi có thể bỏ qua, ví dụ như có một phần của Outline linh kiện xuyên qua đặt ở ngoài khung mạch, khi kiểm tra khoảng cách sẽ có lỗi; ngoài ra mỗi lần sửa dây và lỗ xuyên qua đều cần phủ lại đồng 1 lần.

6. Kiểm tra lại dựa theo “Bảng kiểm tra PCB”, nội dung bao gồm quy tắc thiết kế, định nghĩa lợp, độ rộng dây, khoảng cách, lớp hàn đệm, đặt lỗ xuyên qua, còn cần kiểm tra lại tính hợp lý của bố cục linh kiện, dây của nguồn và mạng lưới tiếp đất, dây mạng đồng hồ tốc độ cao và ẩn, sắp đặt và kết nối tụ tách rời (tụ khử ghép)

7. Những điểm cần lưu ý khi thiết kế file input và output:

a. Tầng cần output có lớp dây (bottom), lớp in (bao gồm in top và in bottom), lớp hàn đệm (hàn đệm bottom), lớp lỗ khoan (bottom), ngoài ra còn cần tạo file lỗ khoan (NC Drill)

b. Khi cài đặt Layer của lớp in, không cần chọn Part Type, chọn Top (bottom) và Outline, Text, Linec của lớp in. Khi cài đặt Layer của mỗi lớp, chọn Board Outline, khi cài đặt Layer của lớp in, không chọn Part Type, chọn Outline, Text, Line của top (bottom) và lớp in

c. Khi tạo file lỗ khoan, sử dụng cài đặt mặc định (defautl) PowerPCB, không chỉnh sửa gì thêm.