از مدار های الکتریکی و الکترومغناطیس تا طراحی پیشرفته سخت‌افزار و PCB

نویسنده و گردآورنده: فاطمه حورا پیشوائی نژاد (دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق گرایش کنترل دانشگاه اصفهان)

در این مقاله، ارتباط مفاهیم پایه مهندسی برق با طراحی PCB و طراحی پیشرفته سخت‌افزار را بررسی می‌کنیم.

چکیده

در دوران تحصیل مهندسی برق، مفاهیم مختلفی را در درس‌هایی مانند مدارهای الکتریکی، الکترومغناطیس، الکترونیک، مدارهای منطقی و مخابرات یاد می‌گیریم.‎ اما معمولاً این درس‌ها جدا از یکدیگر ارائه می‌شوند و ارتباط میان آن‌ها در یک مسئله واقعی کمتر دیده می‌شود.

این موضوع زمانی بیشتر خودش را نشان می‌دهد که وارد فضای کاری می‌شویم.‎ ممکن است هنگام مطالعه یک مقاله یا بررسی یک مدار واقعی، با مفهومی روبه‌رو شویم که قبلاً آن را در دانشگاه خوانده‌ایم، اما نتوانیم به‌سرعت تشخیص دهیم که این مفهوم دقیقاً کجا و چگونه در حال استفاده است.

در این مقاله تلاش می‌کنم این ارتباط را با یک مثال ساده، یعنی حرکت یک سیگنال روی PCB، بررسی کنم.‎ از مفهوم مدار فشرده و قوانین کیرشهف شروع می‌کنیم و به مفاهیمی مانند زمان انتشار، خط انتقال، امپدانس مشخصه، بازتاب، مسیر برگشت جریان، Crosstalk و EMI می‌رسیم.‎ در ادامه نیز خواهیم دید که چرا عواملی مانند جنس PCB، ضخامت لایه‌ها، فاصله ترک از صفحه زمین و ساختار لایه‌های برد می‌توانند روی رفتار یک سیگنال تأثیر بگذارند.

هدف این مقاله ارائه یک درس دانشگاهی جدید نیست؛ بلکه تلاش می‌کنم نشان دهم مفاهیمی که در طول تحصیل به‌صورت جداگانه یاد گرفته‌ایم، چگونه در یک طراحی واقعی سخت‌افزار و PCB در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.

مقدمه

یکی از مشکلاتی که من به‌عنوان دانشجوی مهندسی برق در هنگام ورود به بازار کار که با آن مواجه شدم، این بود که هنگام مطالعه یک مقاله تخصصی، بسیاری از مطالب برایم کاملاً جدید نبودند.‎ حتی بعضی از آن‌ها را قبلاً در دانشگاه خوانده بودم.‎ با این‌حال، همیشه نمی‌توانستم به‌سرعت تشخیص دهم که این مفاهیم را کجا یاد گرفته‌ام و مهم‌تر از آن، چگونه باید از آن‌ها در یک مسئله واقعی استفاده کنم.

گاهی برای فهم یک پاراگراف مجبور می‌شدم دوباره جست‌وجو کنم، کتاب‌های دانشگاهی را باز کنم و فصل‌های مختلف را مرور کنم.‎ بعد متوجه می‌شدم بخشی از مطلب را در مدارهای الکتریکی خوانده‌ام، بخشی را در الکترومغناطیس و بخشی دیگر را در الکترونیک یا مخابرات.‎ اینجا یک سؤال مهم برای من ایجاد شد:

آیا واقعاً این مطالب را یاد گرفته بودم، یا فقط می دانستم چگونه از آن‌ها در یک امتحان استفاده کنم؟

به نظر من این سؤال فقط مربوط به یک دانشجو نیست.‎ بسیاری از دانشجویان مهندسی در طول تحصیل با تعداد زیادی فرمول و مفهوم روبه‌رو می‌شوند، اما ممکن است ارتباط میان آن‌ها را تا زمانی که با یک مسئله واقعی مواجه نشوند، به‌خوبی نبینند.

در دانشگاه، هر درس معمولاً مرز مشخصی دارد.‎ در مدارهای الکتریکی با ولتاژ، جریان و قوانین کیرشهف سروکار داریم.‎ در الکترومغناطیس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را بررسی می‌کنیم.‎ در الکترونیک رفتار قطعات را می‌آموزیم و در مخابرات با سیگنال، فرکانس و انتقال اطلاعات سروکار داریم.‎ اما یک مدار واقعی این مرزبندی‌ها را نمی‌شناسد.

وقتی یک سیگنال از پایه یک میکروکنترلر خارج می‌شود و روی یک ترک PCB حرکت می‌کند، چندین مفهوم به‌صورت هم‌زمان درگیر هستند.‎ جریان الکتریکی، میدان الکتریکی و مغناطیسی، ظرفیت و اندوکتانس، جنس برد، مسیر برگشت جریان، زمان انتشار سیگنال و حتی نحوه قرارگیری ترک‌های دیگر روی رفتار آن تأثیر می‌گذارند.‎ پس یک سؤال ساده مطرح می‌شود:

آیا یک ترک PCB فقط یک سیم است؟

در مدارهای ساده معمولاً پاسخ ما «بله» است.‎ سیم را یک اتصال ایده‌آل در نظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم سیگنال تقریباً بدون تأخیر از یک نقطه به نقطه دیگر می‌رسد.‎ این فرض در بسیاری از مدارها کاملاً مناسب است.‎ اما با افزایش سرعت سیگنال و طول مسیر، شرایط تغییر می‌کند.

برای مثال، اگر سیگنالی با لبه‌های بسیار سریع(فرکانس بالا) روی یک ترک نسبتاً طولانی حرکت کند، زمان لازم برای رسیدن سیگنال از ابتدای ترک به انتهای آن دیگر قابل چشم‌پوشی نیست.‎ در چنین شرایطی، نمی‌توان همه نقاط ترک را در یک لحظه دارای ولتاژ یکسان در نظر گرفت.‎ اینجاست که مفهوم خط انتقال در طراحی PCB اهمیت پیدا می‌کند.

در یک خط انتقال، دیگر فقط با یک سیم ساده روبه‌رو نیستیم.‎ میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در اطراف مسیر وجود دارند و پارامترهایی مانند ظرفیت خازنی و اندوکتانس در طول مسیر توزیع شده‌اند.‎ به همین دلیل، مفاهیمی مانند امپدانس مشخصه، بازتاب و تطبیق امپدانس وارد طراحی می‌شوند.

1-1-دانشگاه و تجربه؛ دو بخش از یک مسیر

گاهی گفته می‌شود برای ورود به بازار کار، تجربه از دانشگاه مهم‌تر است.‎ این حرف در بعضی شرایط می‌تواند درست باشد.‎ ممکن است فردی بدون تحصیلات دانشگاهی و با یادگیری عملی و تجربه زیاد، مهارت بسیار خوبی در طراحی و تعمیر مدار داشته باشد.‎ از طرف دیگر، داشتن مدرک دانشگاهی نیز به‌تنهایی به معنی توانایی طراحی یک محصول واقعی نیست.‎

به نظر من مقایسه دانشگاه و تجربه به‌عنوان دو مسیر رقیب، چندان مفید نیست.‎ دانشگاه می‌تواند پایه علمی و ابزار تحلیل را در اختیار ما قرار دهد و تجربه کاری به ما یاد می‌دهد چگونه از این ابزارها در شرایط واقعی استفاده کنیم.‎ در یک مدار واقعی، دیگر همه‌چیز ایده‌آل نیست.‎ تلرانس قطعات، نویز، محدودیت‌های تولید، هزینه، انتخاب مواد، خطاهای مونتاژ و محدودیت‌های زمانی وارد مسئله می‌شوند.‎ بنابراین یک مهندس خوب به هر دو نیاز دارد:‎ درک اصول و توانایی استفاده از آن‌ها در عمل.‎

یکی از بهترین مثال‌ها برای دیدن این ارتباط، طراحی PCB است.‎

1-2-از یک سیم ساده تا یک خط انتقال

فرض کنیم یک میکروکنترلر قرار است یک سیگنال دیجیتال را برای یک قطعه دیگر ارسال کند.‎ در نگاه اول، کار ساده است.‎ کافی است پایه خروجی میکروکنترلر را با یک ترک مسی به پایه ورودی قطعه متصل کنیم.‎ اما اگر سرعت تغییرات سیگنال زیاد باشد، سؤال‌های بیشتری در طراحی PCBمطرح می‌شوند.

1- طول ترک چقدر است؟

2- مسیر برگشت جریان کجاست؟

3- ترک چه عرضی دارد؟

4-در چه فاصله‌ای از صفحه زمین قرار گرفته است؟

5-جنس دی‌الکتریک PCB چیست؟

6-امپدانس مسیر چقدر است؟

7-آیا در انتهای مسیر بازتاب ایجاد می‌شود؟

8-آیا ترک‌های مجاور روی این سیگنال اثر می‌گذارند؟

در این مرحله متوجه می‌شویم که طراحی PCB فقط قرار دادن قطعات و کشیدن ترک بین آن‌ها نیست.‎ هندسه برد و ویژگی‌های مواد نیز بخشی از رفتار الکتریکی مدار هستند.‎

یکی از مفاهیم مهم در اینجا، زمان انتشار سیگنال است.‎ سیگنال برای طی کردن طول یک مسیر به زمان نیاز دارد.‎ اگر این زمان در مقایسه با زمان تغییرات سیگنال قابل توجه باشد، دیگر نمی‌توان مسیر را یک اتصال ایده‌آل در نظر گرفت.

نکته مهم این است که در مدارهای دیجیتال، فقط فرکانس کلاک تعیین‌کننده نیست.‎ زمان صعود و نزول لبه‌های سیگنال نیز اهمیت زیادی دارد.

به همین دلیل ممکن است یک مدار با فرکانس کاری نسبتاً پایین، به دلیل لبه‌های بسیار سریع، از دید طراحی Signal Integrity یک مدار پرسرعت محسوب شود.‎

من معتقدم برای اثر گذاری بهتر ابتدا می بایست ذهن افراد را برای ارائه مطالب اصلی آماده کرد. در شرایطی که خواننده نتواند بین مطالب ارتباطی پیدا کند، مطالب گفته شده تبدیل می شوند به یک سری جملات بی ربط که اگر شانس بیاوریم و خواننده در لحظه تمرکز کافی برای درک آن ها داشته باشد بعد از چند ساعت دیگر حتی نمی تواند بگوید که موضوع ارائه مربوط به چه حوزه ای می باشد. امیدوارم توانسته باشم خط داستانی مناسب را برای خواننده فراهم کرده باشم.

در ادامه میخواهم به شما یاد بدهم که چگونه با دروسی که قبلا در دانشگاه گذرانده اید مثل یک مهندس فکر کنید. پس این مقاله یک بازنگری از مطالبی است که قبلا خوانده اید و محتوای جدیدی در این مقاله ارائه نخواهد شد در واقع پلی است میان دروس دانشگاهی مهندسی برق.

در نهایت خواننده باید بتواند در پایان مقاله از روی فیزیک و مفاهیمی که قبلاً در دانشگاه خوانده ، بفهمد چرا قواعد طراحی حرفه‌ای PCB به وجود آمده‌اند؛ نه صرفا یک فهرست از Design Ruleها را به یاد بسپارد.