محافظت از برد الکترونیکی در برابر نویز یعنی طراحی مدار و PCB به شکلی که سیگنال‌های ناخواسته الکتریکی و الکترومغناطیسی نتوانند عملکرد بخش‌های حساس را مختل کنند. نویز ممکن است از منبع تغذیه، مسیرهای سوئیچینگ، موتور و رله، ارتباطات دیجیتال پرسرعت یا حتی تجهیزات مجاور وارد مدار شود و نتیجه آن می‌تواند خطای سنسور، ریست شدن پردازنده، اختلال ارتباطی یا رفتار ناپایدار دستگاه باشد.

کنترل چنین مشکلی باید از همان مرحله طراحی برد الکترونیکی با جانمایی صحیح قطعات، مسیر برگشت جریان مناسب، Ground Plane، فیلترینگ، Decoupling و Routing حساب‌شده آغاز شود و تا مرحله چاپ برد الکترونیکی ادامه پیدا کند، چون Stackup و کیفیت ساخت نیز بر رفتار واقعی مدار اثر دارند. تیم بردینو پروژه را با همین نگاه مهندسی بررسی می‌کند تا منابع احتمالی نویز قبل از تولید شناسایی شوند و PCB متناسب با شرایط کاری واقعی دستگاه طراحی و برای ساخت آماده شود.

نویز در برد الکترونیکی چیست و چگونه ایجاد می‌شود؟

نویز در برد الکترونیکی به هر سیگنال الکتریکی ناخواسته‌ای گفته می‌شود که روی ولتاژ، جریان یا شکل موج اصلی مدار اثر بگذارد و باعث شود بخش‌های مختلف PCB دقیقاً همان رفتاری را که طراح انتظار دارد نداشته باشند. این نویز می‌تواند خودش را به شکل خطای اندازه‌گیری سنسورها، اختلال در ارتباطات دیجیتال، ریست شدن میکروکنترلر، عملکرد ناپایدار مدار یا ایجاد اعوجاج در سیگنال‌های آنالوگ نشان دهد. برای مخاطب غیر فنی، می‌توان نویز را شبیه صدای مزاحمی در یک مکالمه دانست. هرچه این صدای اضافی شدیدتر باشد، تشخیص اطلاعات اصلی برای مدار دشوارتر می‌شود.

نویز معمولاً از دو مسیر ایجاد یا وارد برد می‌شود. بخشی از آن داخل خود PCB تولید می‌شود، مثلاً توسط مبدل‌های سوئیچینگ، کلاک‌های دیجیتال، موتور، رله، ترانزیستورهای قدرت یا مسیرهایی که جریان آن‌ها سریع تغییر می‌کند. بخش دیگری نیز می‌تواند از محیط اطراف و از طریق کابل‌ها، کانکتورها، منبع تغذیه یا میدان‌های الکترومغناطیسی به مدار کوپل شود. شدت اثر نویز به عواملی مانند جانمایی قطعات، مسیر برگشت جریان، سطح Ground، فاصله مسیرها، نحوه Decoupling، نوع سیگنال و حتی Stackup برد وابسته است. به همین دلیل، کنترل نویز باید از مرحله طراحی شماتیک و PCB شروع شود و نمی‌توان آن را فقط با افزودن یک فیلتر در انتهای پروژه حل کرد.

مهم‌ترین منابع ایجاد نویز در PCB کدام‌اند؟

مهم‌ترین منابع ایجاد نویز در PCB معمولاً به بخش‌هایی برمی‌گردند که در آن‌ها تغییرات سریع ولتاژ یا جریان رخ می‌دهد یا مسیرهای حساس در مجاورت منابع مزاحم قرار گرفته‌اند. مبدل‌های سوئیچینگ، خطوط کلاک، موتور و رله، ترانزیستورهای قدرت، کابل‌های ورودی و خروجی، مسیرهای تغذیه نامناسب و حتی جانمایی ضعیف قطعات می‌توانند نویز را به بخش‌های دیگر مدار منتقل کنند. این انتقال ممکن است از طریق رسانش مستقیم روی مسیرهای تغذیه و گراند، کوپل خازنی و القایی بین ترک‌ها یا میدان‌های الکترومغناطیسی انجام شود. به همین دلیل، در یک طراحی حرفه‌ای فقط منبع نویز بررسی نمی‌شود و هم‌زمان مسیر انتشار آن و بخش حساس مدار نیز تحلیل می‌شوند تا راهکارهایی مثل بهبود Ground Plane، کوتاه کردن Loop Area، Decoupling مناسب و فاصله‌گذاری صحیح مسیرها به‌درستی اجرا شوند.

چگونه از برد الکترونیکی در برابر نویز محافظت کنیم؟

محافظت از برد الکترونیکی در برابر نویز زمانی مؤثر است که منبع نویز، مسیر انتشار آن و بخش حساس مدار هم‌زمان بررسی شوند. نویز می‌تواند از منبع تغذیه، مبدل‌های سوئیچینگ، موتور و رله، خطوط دیجیتال سریع، کابل‌ها یا میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف وارد مدار شود. به همین دلیل معمولاً یک اقدام به‌تنهایی مشکل را حل نمی‌کند و باید مجموعه‌ای از تصمیم‌ها در طراحی شماتیک و Layout گرفته شود. جانمایی صحیح قطعات، مسیر برگشت جریان مناسب، Ground Plane پیوسته، فیلترینگ، Decoupling، کنترل مسیرهای حساس و در صورت نیاز Shielding از روش‌هایی هستند که کمک می‌کنند سیگنال اصلی مدار با کمترین اختلال به مقصد برسد.

1. جانمایی صحیح قطعات روی PCB
کنترل نویز از Placement شروع می‌شود. قطعاتی که جریان یا ولتاژ آن‌ها با سرعت تغییر می‌کند، مانند مبدل‌های سوئیچینگ، MOSFETها، درایورها و برخی مدارهای دیجیتال، بهتر است از ورودی‌های آنالوگ، سنسورها و بخش‌های اندازه‌گیری حساس فاصله مناسبی داشته باشند. در عمل باید قطعات مرتبط با هر بلوک عملکردی کنار یکدیگر قرار بگیرند تا مسیر جریان کوتاه بماند و Loop Area افزایش پیدا نکند. اگر منبع نویز در یک سمت برد و مدار حساس در سمت دیگر قرار گیرد اما مسیرهای آن‌ها بدون برنامه از کنار یکدیگر عبور کنند، فاصله فیزیکی به‌تنهایی مشکل را حل نمی‌کند.

2. طراحی صحیح Ground Plane
Ground Plane فقط یک سطح مسی برای اتصال زمین نیست و در بسیاری از بردها بخشی از مسیر برگشت جریان سیگنال را تشکیل می‌دهد. وقتی مسیر سیگنال روی یک Reference Plane پیوسته حرکت می‌کند، جریان برگشتی معمولاً می‌تواند مسیر نزدیک‌تری به همان سیگنال داشته باشد و حلقه جریان کوچک‌تر باقی بماند. شکاف‌های بدون دلیل در Ground Plane یا عبور مسیر حساس از روی ناحیه‌ای که Reference آن قطع شده است می‌تواند مسیر برگشت را منحرف کند و احتمال ایجاد نویز و تشعشع را افزایش دهد. به همین دلیل طراحی Ground باید هم‌زمان با Routing انجام شود.

3. کنترل مسیر برگشت جریان
هر جریانی که از یک مسیر به مصرف‌کننده می‌رسد باید از مسیری نیز برگردد. در طراحی PCB، همین Return Path می‌تواند تعیین کند مدار چقدر نسبت به نویز مقاوم است. اگر مسیر رفت و برگشت جریان از یکدیگر فاصله زیادی بگیرند، سطح حلقه افزایش پیدا می‌کند و مدار راحت‌تر با میدان‌های اطراف کوپل می‌شود. در سیگنال‌های سریع، طراح باید بررسی کند جریان برگشتی در تمام طول مسیر Reference مناسبی دارد و عبور از شکاف Plane یا تغییر لایه بدون توجه به مسیر برگشت اتفاق نمی‌افتد.

4. استفاده صحیح از خازن‌های Decoupling
خازن Decoupling برای تأمین لحظه‌ای جریان موردنیاز آی‌سی و محدود کردن نویز روی Rail تغذیه استفاده می‌شود. این خازن وقتی مؤثر است که مسیر بین آن و پایه‌های تغذیه قطعه کوتاه و کم‌امپدانس باشد. قرار دادن خازن مناسب روی شماتیک کافی نیست و موقعیت آن روی PCB نیز اهمیت دارد. در یک میکروکنترلر یا مدار دیجیتال، اگر خازن از پایه تغذیه فاصله زیادی داشته باشد و جریان مجبور شود از یک مسیر طولانی عبور کند، عملکرد واقعی Decoupling ضعیف‌تر خواهد شد.

5. فیلتر کردن ورودی‌های تغذیه و سیگنال
فیلترها زمانی استفاده می‌شوند که مشخص باشد نویز از یک مسیر مشخص وارد یا خارج مدار می‌شود. بسته به ماهیت سیگنال و منبع اختلال، شبکه‌های RC، LC، فریت‌بید یا فیلترهای تخصصی EMI می‌توانند بخشی از انرژی ناخواسته را تضعیف کنند. نکته مهم این است که فیلتر باید بر اساس فرکانس نویز، امپدانس مدار و عملکرد واقعی خط انتخاب شود. اضافه کردن یک فریت یا خازن بدون تحلیل ممکن است هیچ اثری نداشته باشد یا حتی رفتار خط تغذیه و سیگنال را بدتر کند.

6. کاهش Crosstalk بین مسیرها
وقتی دو ترک برای مسافت قابل توجهی نزدیک و موازی حرکت می‌کنند، بخشی از انرژی یک مسیر می‌تواند به مسیر کناری کوپل شود. این پدیده در مسیرهای پرسرعت یا خطوطی که Rise Time کوتاهی دارند بیشتر باید بررسی شود. افزایش فاصله مناسب بین مسیرهای حساس، کاهش طول بخش‌های موازی، استفاده از Reference Plane مناسب و Routing صحیح Differential Pair از روش‌هایی هستند که می‌توانند Crosstalk را کنترل کنند. فاصله دقیق مسیرها باید بر اساس Stackup و Design Rule همان پروژه تعیین شود.

7. جداسازی صحیح بخش‌های آنالوگ و دیجیتال
در بردهای Mixed Signal معمولاً بخش‌های آنالوگ نسبت به نویز حساس‌تر هستند، در حالی که بخش‌های دیجیتال می‌توانند جریان‌های سوئیچینگ و هارمونیک‌های بیشتری ایجاد کنند. جداسازی این بلوک‌ها بیشتر به معنی مدیریت صحیح Placement، مسیر تغذیه و مسیر برگشت جریان است، نه اینکه همیشه زمین آنالوگ و دیجیتال را به شکل مصنوعی از یکدیگر جدا کنیم. برای مثال ورودی ADC باید از مسیرهای کلاک و Switching Nodeها فاصله داشته باشد و مسیر سیگنال آن تا حد امکان کوتاه و قابل کنترل طراحی شود.

8. کاهش سطح حلقه در مدارهای سوئیچینگ
در مبدل‌های سوئیچینگ و مدارهای قدرت، مسیرهایی وجود دارند که جریان در آن‌ها با سرعت زیادی تغییر می‌کند. این مسیرها اگر سطح حلقه بزرگی تشکیل دهند می‌توانند منبع قدرتمندی برای نویز الکترومغناطیسی باشند. قرار دادن قطعات اصلی سوئیچینگ نزدیک یکدیگر، کوتاه نگه داشتن مسیرهای پرجریان و طراحی دقیق مسیر برگشت می‌تواند این Loop Area را کاهش دهد. این مسئله در Layout منبع تغذیه اهمیت زیادی دارد و معمولاً نمی‌توان آن را بعد از ساخت برد با یک اصلاح ساده جبران کرد.

9. مدیریت کابل‌ها و کانکتورها
کابل می‌تواند مانند مسیری برای ورود یا خروج نویز عمل کند و حتی طراحی خوب PCB را تحت تأثیر قرار دهد. ورودی‌ها و خروجی‌هایی که از محیط بیرون برد می‌آیند باید از نظر نوع سیگنال، طول کابل و شرایط محیطی بررسی شوند. قرار دادن فیلتر یا حفاظت مناسب نزدیک کانکتور، طراحی مسیر Ground صحیح و جلوگیری از عبور سیگنال حساس در کنار خطوط پرنویز می‌تواند احتمال انتقال اختلال به داخل مدار را کاهش دهد.

10. استفاده از Shielding در پروژه‌های حساس
در پروژه‌هایی که نویز تابشی محیط زیاد است یا بخش خاصی از مدار خود منبع قوی تشعشع محسوب می‌شود، ممکن است استفاده از Shield فلزی یا محفظه مناسب مطرح شود. Shielding زمانی نتیجه خوبی می‌دهد که اتصال آن به Ground و ساختار مکانیکی دستگاه درست طراحی شده باشد. استفاده از شیلد بدون بررسی مسیرهای ورودی، کابل‌ها و Reference Ground ممکن است اثر محدودی داشته باشد، چون نویز می‌تواند از مسیر دیگری وارد مدار شود.

11. بررسی نویز در نمونه اولیه
کنترل نویز بهتر است به مرحله طراحی محدود نماند. بعد از ساخت Prototype باید رفتار برد در شرایط واقعی بررسی شود تا مشخص شود منابع تغذیه، خطوط حساس، سیگنال‌های دیجیتال و ورودی‌های آنالوگ مطابق انتظار عمل می‌کنند. اندازه‌گیری صحیح با اسیلوسکوپ، بررسی Ripple، مشاهده رفتار مدار در زمان سوئیچینگ بارها و مقایسه عملکرد در شرایط مختلف می‌تواند نقاطی را آشکار کند که در بررسی نرم‌افزاری دیده نشده‌اند. نتیجه این تست‌ها مبنای اصلاح Revision بعدی برد خواهد بود.

اشتباهات رایج در طراحی PCB که باعث افزایش نویز می‌شوند چیست؟

اشتباهات رایج در طراحی PCB که باعث افزایش نویز می‌شوند معمولاً از Placement و Routing ضعیف شروع می‌شوند. قرار دادن خطوط کلاک، مبدل‌های سوئیچینگ، MOSFETها یا مسیرهای پرجریان در نزدیکی ورودی‌های آنالوگ و سنسورها می‌تواند باعث کوپل شدن نویز به بخش‌های حساس شود. طولانی کردن مسیرهای سیگنال، ایجاد حلقه‌های جریان بزرگ، عبور ترک‌های حساس از روی شکاف Ground Plane و موازی کردن طولانی مسیرهای پرسرعت نیز احتمال Crosstalk و تشعشع الکترومغناطیسی را افزایش می‌دهد. در بردهای Mixed Signal، اشتباه رایج دیگر این است که جداسازی بخش‌های آنالوگ و دیجیتال فقط به‌صورت ظاهری انجام می‌شود اما مسیر برگشت جریان آن‌ها بدون برنامه باقی می‌ماند. در چنین شرایطی حتی اگر شماتیک صحیح باشد، برد در عمل می‌تواند با خطای اندازه‌گیری، ریست شدن پردازنده یا اختلال در ارتباطات روبه‌رو شود.

بخش دیگری از خطاها به تغذیه و Grounding مربوط می‌شود. قرار دادن خازن‌های Decoupling دور از پایه‌های تغذیه آی‌سی، استفاده از مسیرهای باریک یا طولانی برای تغذیه، بی‌توجهی به Reference Plane و تعریف نادرست Viaها از جمله اشتباهاتی هستند که امپدانس مسیر تغذیه و برگشت را افزایش می‌دهند و شرایط را برای انتشار نویز فراهم می‌کنند. در منابع تغذیه سوئیچینگ نیز بزرگ بودن Loop Area در مسیرهای جریان سریع یکی از خطاهای مهم Layout است. به همین دلیل کنترل نویز باید از همان مرحله طراحی PCB دیده شود و بررسی فقط به DRC محدود نشود. طراح باید رفتار جریان، مسیر برگشت، فاصله بین مسیرها، محل قطعات حساس و ساختار Ground را هم‌زمان بررسی کند تا نویز قبل از ساخت نمونه اولیه تا حد ممکن مهار شود.

برای طراحی برد کم‌نویز چه اطلاعاتی باید در اختیار تیم بردینو قرار دهیم؟

برای طراحی برد کم‌نویز بهتر است تیم بردینو از همان ابتدا تصویر روشنی از عملکرد مدار، منابع احتمالی نویز و بخش‌های حساس داشته باشد. هرچه اطلاعات ورودی دقیق‌تر باشد، تصمیم‌گیری درباره Placement، Grounding، مسیر برگشت جریان، فیلترینگ و Routing نیز مهندسی‌تر انجام می‌شود و احتمال اصلاحات پرهزینه در نمونه اولیه کاهش پیدا می‌کند.

• شماتیک کامل مدار
• توضیح عملکرد کلی برد
• مشخصات منبع تغذیه
• نوع و فرکانس سیگنال‌های مهم
• مشخصات خطوط دیجیتال پرسرعت
• بخش‌های آنالوگ و سنسورهای حساس
• اطلاعات مبدل‌های سوئیچینگ
• موتور، رله یا بارهای القایی متصل به برد
• نوع کابل‌ها و کانکتورها
• محدودیت‌های ابعادی PCB
• شرایط محیطی محل کار دستگاه
• Stackup موردنظر در صورت مشخص بودن
• دیتاشیت قطعات اصلی
• الزامات مربوط به EMI و EMC در صورت وجود
• فایل PCB قبلی در صورت بازطراحی
• مشکلات نویزی مشاهده‌شده در نمونه قبلی
• محدودیت‌های ساخت و مونتاژ پروژه

سفارش طراحی برد کم‌نویز با بردینو

اگر عملکرد مدار شما به سیگنال‌های حساس، سنسورها، ADC، ارتباطات دیجیتال سریع یا منابع تغذیه سوئیچینگ وابسته است، کنترل نویز باید از همان مرحله طراحی PCB در نظر گرفته شود. تیم بردینو با بررسی شماتیک، منابع احتمالی نویز، مسیر برگشت جریان، Ground Plane، جانمایی قطعات، Decoupling، Routing و شرایط واقعی کار دستگاه، طراحی را به‌گونه‌ای پیش می‌برد که ریسک اختلالات نویزی پیش از ساخت نمونه اولیه کاهش پیدا کند. برای شروع، می‌توانید شماتیک، مشخصات قطعات اصلی، محدودیت‌های ابعادی و مشکلات نویزی مشاهده‌شده در نمونه قبلی را برای بردینو ارسال کنید تا ساختار مناسب طراحی و مسیر فنی پروژه بررسی شود.