Photo by resources.altium.com
สวัสดีครับ ท่านผู้อ่าน เจอกันอีกครั้งแล้วนะครับ สำหรับเนื้อหาในบทความนี้จะเป็นภาคต่อเนื่องจากครั้งก่อนที่ว่าเราจะทำการออกแบบ PCB อย่างไรเพื่อให้งานที่ออกแบบมีสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุด โดยในภาคนี้จะเน้นไปที่เรื่องเกี่ยวกับ Ground plane เป็นส่วนใหญ่ครับ
ทำความเข้าใจวัตถุประสงค์ของบทความกันก่อนที่จะเข้าไปอ่านว่าเนื้อหาหลักส่วนใหญ่ที่กล่าวถึงในนี้จะเป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากเส้นลายวงจรที่ใช้ส่งสัญญาณความถี่สูงเป็นหลัก เพราะเส้นสัญญาณความถี่สูงจะเป็นตัวสร้างสัญญาณรบกวนให้กับสิ่งที่อยู่รอบๆได้มาก ดังนั้นจึงขอแจ้งทำความเข้าใจเพื่อให้ผู้อ่านได้เข้าใจวัตถุประสงค์และนำไปปรับใช้กับงานออกแบบของท่านให้ได้เกิดประโยชน์กับท่านมากที่สุด ถ้าพร้อมแล้วไปเริ่มกันเลยครับ
1. ออกแบบโดยไม่กีดขวาง Ground plane
ในการออกแบบลายวงจรพิมพ์เพื่อลดสัญญาณรบกวน จำเป็นต้องพิจารณาว่าจะไม่ทำให้การไหลของกระแสไฟฟ้าเบี่ยงหรืออ้อม จากรูป Vias ถูกจัดเรียงใกล้ชิดกันแบบต่อเนื่อง และ Ground plane (Ground ที่ Layer 2) ได้ถูกแบ่งออก ด้วยรูปแบบดังกล่าวกระแสส่วนใหญ่จะไหลผ่าน Vias (หมายถึง Vias ที่ 4 มุม) ส่งผลให้วงจรมีแนวโน้มที่จะเกิดสัญญาณรบกวนได้ เพราะกระแสมีการไหลอ้อมบริเวณที่มี Vias ติดกัน
ถ้าหากต้องการเจาะ Vias ในจำนวนมากจริงๆ ด้วยเหตุผลด้านการออกแบบ ให้ทำระยะห่างระหว่างจุด Vias ตามรูป และปล่อยให้กระแสไหลผ่านระหว่างจุดเหล่านั้น การทำเช่นนี้กระแสสามารถไหลผ่านระหว่าง Vias และกระแสไหลโดยไม่ต้องอ้อมไกล ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่การออกแบบลายวงจรพิมพ์จะลดสัญญาณรบกวนได้
สรุป การออกแบบลายวงจรพิมพ์ที่ช่วยลดสัญญาณรบกวนจะต้องระมัดระวังไม่ให้เกิดการกีดขวาง Ground plane เพราะจะทำให้การไหลของกระแสถูกเบี่ยงหรืออ้อมและเส้นทางการไหลกระแสจะยาวขึ้น ส่งผลให้วงจรมีแนวโน้มที่จะเกิดสัญญาณรบกวนได้
2. ออกแบบโดยไม่แยก Ground planes
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ที่ต้องการลดสัญญาณรบกวน การคงเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) เป็นอีกอย่างที่สำคัญ ในรูปตัวอย่างด้านบน ตรงปลายของ Ground plane ไม่ได้เชื่อมต่อกันโดยถูกแยกออกจากกัน ดังนั้นจะไม่สามารถรักษาเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) ได้ รูปแบบดังกล่าวอาจสร้างสัญญาณรบกวนในแผงวงจรพิมพ์ได้
รูปแบบเส้นลายวงจรของแผงวงจรพิมพ์ด้านบนเป็นตัวอย่างที่ดีของการคงเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) โดยเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) มีการเชื่อมต่อที่ปลายของ Ground plane ซึ่งมีประสิทธิภาพในการลดสัญญาณรบกวน วงจรอย่างเช่นสายสัญญาณความเร็วสูงและวงจรความถี่สูงที่ให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับสัญญาณรบกวนควรต้องออกแบบให้มีเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path)
สรุป สำหรับวงจรที่ต้องการลดสัญญาณรบกวน เช่น วงจรความถี่สูง ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) ในกรณีของสัญญาณความเร็วสูงนั้นเส้นทางกลับของสัญญาณ (Return path) จะผ่านชั้นที่เป็น Plane ที่อยู่ในชั้นใต้สายสัญญาณวงจรความถี่สูง ดังนั้นหากเส้นทางกลับไม่ถูกต้องจะทำให้เกิดการไหลของกระแสมีเส้นทางกลับที่ไกลหรือเกิด Loop ที่ใหญ่อันเป็นสาเหตุของการเพิ่มสัญญาณรบกวน ดังนั้นโปรดระมัดระวังในจุดนี้ด้วย
3. ออกแบบโดยป้องกันไม่ให้ Ground plane กลายเป็นเสาอากาศ (Antenna)
สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นได้หลายกรณีแม้แต่ในส่วนที่เป็น Ground plane ของแผงวงจรพิมพ์ รูปด้านบนในวงสีแดงส่วน Plane มีลักษณะยื่นออกมาและไม่มี Via ในลักษณะเช่นนี้แม้แต่ Ground plane จะทำให้เกิดเสาอากาศ (Antenna) ที่ปล่อยหรือรับสัญญาณรบกวนได้ ในการพิจารณาสัญญาณรบกวน ไม่แน่เสมอไปว่า Ground plane ขนาดใหญ่จะไม่ทำให้เกิดสัญญาณรบกวน
ถ้าหากระนาบ Ground plane มีลักษณะยาวและแหลมโดยที่ไม่มี Vias ส่วนนี้ก็จะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศโดยปล่อยหรือรับสัญญาณรบกวนได้ ดังนั้นหากมี plane ลักษณะดังกล่าวในแผงวงจรพิมพ์ ให้ทำการตัด plane ส่วนที่ยาวและแหลมออกดังรูปด้านบน หรือวิธีแก้อีกอย่างคือวาง Vias ในตำแหน่งที่เหมาะสมตรงส่วนที่ยาวและแหลมเพื่อลดการสร้างสัญญาณรบกวน
เพิ่มเติม: จะแก้ไขส่วนแหลมของ Plane โดยการขยับหรือปรับเลื่อนเส้นลายวงจรก็ได้ครับ แต่ในรูปเป็นการยกตัวอย่างให้ดูว่าตัด Plane เพื่อไม่ให้มีส่วนแหลม
สรุป ถึงแม้ว่าจะเป็น Ground plane ก็อาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ Ground plane นั้นถูกสร้างให้มีลักษณะยาวและแหลมก็จะทำให้เกิดเป็นเสาอากาศโดยสามารถปล่อยและรับสัญญาณรบกวนได้ ในกรณีดังกล่าวให้เพิ่ม Vias ในตำแหน่งที่เหมาะสมบริเวณส่วนที่ยาวและแหลมของ Plane แต่ถ้าวาง Vias ไม่ได้ก็ให้ตัดส่วนยาวและแหลมนั้นออกไป
4. ไม่ให้มี Ground plane ใต้อุปกรณ์ที่เป็นขดลวดตัวนำ
การลดสัญญาณรบกวนบนแผงวงจรพิมพ์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ทั้งส่วนจากอุปกรณ์และเส้นลายวงจรแต่ถ้าสามารถนำไปใช้ลดสัญญาณรบกวนได้ทั้ง 2 ส่วนก็จะทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น เมื่อมีการใช้อุปกรณ์ประเภทขดลวดบนแผงวงจรพิมพ์ถ้าด้านล่างของขดลวดเป็น Ground plane สัญญาณรบกวนมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นได้กับประจุไฟฟ้าบนลายวงจรของบอร์ด (Plane)
เพิ่มเติม: กรณีของอุปกรณ์ประเภทขดลวดเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวอุปกรณ์ก็จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น ส่วนของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะส่งผลกระทบต่อตัวนำไฟฟ้าที่อยู่ใกล้กับตัวอุปกรณ์ อาจจะมีผลทำให้เกิดสัญญาณรบกวนขึ้นได้ ดังนั้นเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนก็ควรไม่ให้มีตัวนำไฟฟ้าอยู่ใกล้กับอุปกรณ์ดังกล่าว
ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์เพื่อลดสัญญาณรบกวน ให้พิจารณาการลดสัญญาณรบกวนทั้งจากอุปกรณ์และเส้นลายวงจร เมื่อมีการใช้อุปกรณ์ประเภทขดลวดเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนกับประจุไฟฟ้าบนลายวงจร ให้ตัด Ground plane บนแผงวงจรพิมพ์ที่อยู่ใต้อุปกรณ์ประเภทขดลวดออก เพื่อกำจัดผลกระทบของสัญญาณรบกวน
สรุป การสร้างแผงวงจรพิมพ์ให้มีสัญญาณรบกวนต่ำ จำเป็นต้องออกแบบเส้นลายวงจรให้ไม่ไวต่อสัญญาณรบกวนตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบแล้ว ต้องคำนึงถึงสัญญาณรบกวนระหว่างอุปกรณ์ที่ใช้และลายวงจรในแผงวงจรพิมพ์ด้วย สิ่งสำคัญเมื่อใช้อุปกรณ์ประเภทขดลวดเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบกับประจุไฟฟ้าบนเส้นลายวงจร ไม่ให้มีเส้นลายวงจรอยู่ใต้อุปกรณ์นั้น
5. สร้าง Ground guard ทุก 4 บิต หรือ 8 บิต บนเส้นสัญญาณ 16 บิต
เมื่อออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ เส้นลายวงจรอาจเดินเส้นแบบขนานกันอย่างเส้นบัส (Bus wiring) เช่น วงจรหน่วยความจำ ในตัวอย่างด้านบน เส้นสัญญาณ 16 บิต เดินเส้นแบบขนาน การเดินเส้นดังกล่าวจะไวต่อสัญญาณรบกวนจากเส้นที่อยู่ใกล้กัน
เมื่อเดินเส้นลายวงจรแบบขนานอย่างการเดินเส้นบัส เช่น วงจรหน่วยความจำบนแผงวงจรพิมพ์ ให้ทำ Ground guard ทุก 4 บิต การทำอย่างนี้จะลดผลกระทบของสัญญาณรบกวน (Crosstalk) จากเส้นลายวงจรข้างเคียง แต่ถ้าหากยากที่จะสร้าง Ground guard ทุก 4 บิต เนื่องจากพื้นที่เดินเส้นอันจำกัดก็ให้ทำทุก 8 บิต
สรุป สามารถลดสัญญาณรบกวน Crosstalk ได้โดยการสร้างเส้น Ground guard คั่นระหว่างการเดินเส้นบัส (Bus wiring) อย่างไรก็ตามให้พิจารณาถึงพื้นที่ด้วยว่าสามารถสร้างได้
6. ออกแบบโดยพยายามล้อมรอบขอบบอร์ดด้วย Ground plane
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ จำเป็นต้องคำนึงถึงสัญญาณรบกวนจากภายนอกบอร์ด อีกอย่างที่สำคัญคือในบอร์ดก็ไม่ส่งสัญญาณรบกวนออกไปข้างนอกบอร์ด เส้นสีขาวบนรูปด้านบนคือเส้นขอบบอร์ด เส้นสัญญาณที่เดินเส้นใกล้ขอบบอร์ดจะอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนกับด้านนอกบอร์ด
การปรับปรุงในตัวอย่างด้านบน ทำขอบบอร์ดให้ล้อมรอบด้วย Ground plane และให้เส้นสัญญาณอยู่ภายใน โดยเชื่อมต่อ Ground plane กับเลเยอร์ข้างในโดยใส่ Vias ให้ระยะห่างเท่าๆ กัน ผลที่ได้ก็คือออกแบบให้วงจรในบอร์ดมีความไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอกได้น้อยลง และลดการส่งสัญญาณรบกวนออกไปยังภายนอกบอร์ด
สรุป เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์จำเป็นต้องคำนึงถึงอิทธิพลของสัญญาณรบกวนจากภายนอกบอร์ดที่จะมีผลกับสัญญาณภายในบอร์ดและอีกด้านที่อิทธิพลของสัญญาณรบกวนจากในบอร์ดที่ส่งไปยังภายนอกบอร์ด การทำขอบบอร์ดให้ล้อมรอบด้วย Ground plane จึงเป็นไปได้ที่การออกแบบทำให้มีประสิทธิภาพป้องกันสัญญาณรบกวนทั้งสองอย่าง
7. ไม่สร้างลายวงจรที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับอะไร (Floating island copper)
เมื่อพื้นผิวลายวงจรที่เป็นทองแดง เช่น กราวด์ ถูกสร้างขึ้นโดยอัตโนมัติเมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (การทำ Polygon pour) ลายวงจรที่ไม่เชื่อมต่อกับอะไรเลยจะถูกสร้างขึ้น ลายวงจรที่สร้างในลักษณะลอยๆแบบนี้จะทำตัวเป็นเสาอากาศ (Antenna) ซึ่งเป็นที่มาของสัญญาณรบกวน
เพิ่มเติม: สำหรับโปรแกรมที่ใช้ออกแบบลายวงจรพิมพ์ในรุ่นหลังๆ ได้แก้ไขปัญหาที่เกิดลายวงจรแบบลอยนี้แล้ว โดยมีให้เลือกในขั้นตอนการสร้าง Polygon plane ว่าจะให้มีลายวงจรแบบลอย หรือ ไม่เอาลายวงจรแบบลอย ดังนั้นผู้ออกแบบควรตรวจสอบให้แน่ใจด้วย
หากพื้นผิวลายวงจรที่เป็นทองแดง เช่น กราวด์ ถูกสร้างขึ้นโดยอัตโนมัติจากโปรแกรมที่ใช้ในการออกแบบ จำเป็นต้องตั้งค่าเพื่อไม่ให้สร้างลายวงจรลอยขึ้นมา หรือให้ทำการใส่ Vias เพื่อเชื่อมต่อลายวงจรที่ลอยนั้นกับเลเยอร์อื่นเพื่อลดสัญญาณรบกวน
สรุป ถึงแม้ว่าจะเป็น Ground plane ก็อาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ เนื่องจากถ้าลายวงจรไม่มีการเชื่อมต่อกับอะไรเลยอาจจะทำตัวเป็นเสาอากาศ (Antenna) ในกรณีนี้ให้ใส่ Vias เพื่อเชื่อมต่อกับเลเยอร์อื่นหรือตั้งค่าเพื่อไม่ให้สร้างลายวงจรลอยขึ้นมา
8. ไม่สร้าง Power plane โดยไม่จำเป็น
เมื่อสร้างลายวงจรประเภทแหล่งจ่ายไฟฟ้า (Power supply) บนแผงวงจรพิมพ์ จะสร้างโดยใช้ทั้งส่วนที่เป็นเส้นลายวงจรและ Plane แต่ต้องระมัดระวังเมื่อสร้างลายวงจรแหล่งจ่ายไฟที่เป็น Plane บนเลเยอร์ชั้นในของบอร์ด (Inner layer) ในตัวอย่างข้างบน Power plane ถูกสร้างขึ้นใน Inner layer แต่เนื่องจากพื้นที่บางส่วนของ Plane ไม่มีการเชื่อมต่อกับเลเยอร์อื่นผ่าน Vias ตรงบริเวณนั้นมีโอกาสเกิดสัญญาณรบกวนได้
เมื่อสร้างลายวงจรประเภทแหล่งจ่ายไฟฟ้า (Power supply) ไม่สร้างให้มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น ดังรูปที่แสดงไว้ด้านบน ให้ตัดบางส่วนออกที่ไม่มีการเชื่อมผ่าน Vias และเป็นส่วนที่ไม่ได้ใช้งานแหล่งจ่ายไฟ ทำเป็นลักษณะแบบเส้นดังรูปแทนลักษณะแบบ Plane นี่เป็นสิ่งสำคัญในการลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวนบนแผงวงจรพิมพ์
สรุป การสร้างลายวงจรประเภทแหล่งจ่ายไฟฟ้า (Power supply) ให้มีขนาดใหญ่ไม่ใช่เรื่องดีเสมอไปอาจเป็นสาเหตุทำให้เกิดสัญญาณรบกวนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งลายวงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่สร้างขึ้นใน Inner layer ที่ปกติจะสร้างให้ใหญ่ เราสามารถลดสัญญาณรบกวนได้โดยลบส่วนที่ไม่จำเป็นออกและสร้าง Ground plane เข้าไปแทนบนพื้นที่ว่างนั้น
Summary
จบลงไปเเล้วนะครับ กับเนื้อหาของบทความชุดนี้ หวังว่าจะเป็นประโยชน์กับท่านผู้อ่านนำไปประยุกต์ปรับใช้กับงานออกเเบบของท่านให้เหมาะสม ผู้เขียนก็หวังว่าเนื้อหาที่ได้นำเสนอไปจะเป็นประโยชน์กับทุกท่านที่เข้ามาอ่านกันครับ ไว้พบกันโอกาสหน้า สวัสดีครับ
Created by Sorawit Tasi