[From Simulation to PCBA] Tại sao mạch của bạn không đạt hiệu suất như kỳ vọng?

Làm đúng theo Reference Design nhưng mạch vẫn không chạy? Đó là lúc bạn cần ngừng việc gửi file đi đặt board và bắt đầu tìm nguyên nhân. Sự khác biệt giữa một bản thiết kế ‘lý thuyết’ và một sản phẩm thương mại thành công nằm ở khả năng kiểm chứng vật lý trước khi sản xuất.

Hôm nay, hãy cùng mình nhìn lại một ca review thực tế từ học viên của ThinkHub để hiểu tại sao việc mô phỏng lại quan trọng đến thế, và làm sao để xử lý các vấn đề như trở kháng (impedance) hay hiệu suất Anten trước khi đi đặt mạch (PCB FAB) và sản xuất (PCBA). Việc này có thể giúp dự án của các bạn tiết kiệm được nhiều chi phí về vật liệu và thời gian.

Đầu tiên, học viên gửi mình Geber File trước khi chuẩn bị đi đặt mạch, và nhờ mình review lại, nội dung và scope của review mình sẽ giới hạn trong nội dung khóa học RF Fundamental bạn đã tham gia trước đó.

Hình 1: Layer 1 từ Geber dự án IoT sử dụng Transceiver STM32WB09KE

Ở đây, phần tử đầu tiên sau Antenna là một phần tử nối đất, nên để verify được thiết kế của Antenna này, cần ‘trace cut’ để tách biệt Antenna với mạch Matching circuit 2. Sau đó cần check tiếp layout các đường RF Transmission Line đã đúng CPWG chưa, bằng cách check refferrence ground layer của từng đường

Hình 2: Reference layer của Transmission Line Layer 1

Từ Geber data trên, có thể xác định được, Transmission Line sử dụng ở Matching circuit 2 sẽ Reference xuống Layer 3, trong khi Transmission Line sử dụng ở Matching circuit 1 sẽ Reference xuống Layer 2. Đây là thông tin rất quan trọng để sử dụng trong verify thiết kế sau này.

Kiểm chứng nhanh các thông số layout đường Transmission Line từ Geber data, So sánh với stack-up PCB, chúng ta có thể xác định được dải impedance của từng đường Transmission Line (* các bạn có thể tham khảo từ tài liệu WCCA)

Ở đây, có thể thấy được đường 50 Ohm kỹ sư đã thiết kế khá tốt, trở kháng sai số không lớn, và kích thước đảm bảo giảm thiểu suy hao do hiệu ứng bề mặt. Nhưng do mình nhận thấy từ Geber data, khoảng cách G của đường TL này so với lớp GND Layer 1, khác với Layer 2. Nên rõ ràng áp dụng CPWG chỉ mang tính ước lượng. Ở đây để chính xác hoàn toàn, cần kiểm tra lại mô hình EM của đường truyền.

Đường 40 Ohm, có sai số khá lớn, lý do là khoảng cách đến lớp GND bên cạnh không đồng đều, tuy nhiên độ dài đường TL này tương đối ngắn. Ở đây, mình cũng thấy cần kiểm tra lại một lần nữa sử dụng mô hình EM của đường truyền.

Đầu tiên chúng ta hãy xác định bài toán chúng ta đang đối mặt, xử lý:

Problems statement: Cần xác định mạch Phối hợp trở kháng giữa Transceiver IC STM32WB09KE với RF Filter (PN#: MLPF-NRG-01D3), theo Geber data trên có hoạt động hay không?

Solve step 1: Mô hình phối hợp trở kháng là gì, cần xác định rõ trở kháng nguồn, tải trong bài toán này, trở kháng nguồn là bao nhiêu, trở kháng tải là bao nhiêu

Solve step 2: Xác định mô hình của bài toán phối hợp trở kháng

Solve step 3: Sử dụng Smith Chart Tools để kiểm tra nhanh trước khi kiểm tra chi tiết bằng EM simulation

Ở đây, rõ ràng các thông số ở Bước 2 rất quan trọng để thiết lập đúng, cũng từ đây, có thể xác định nhanh được là với TL dải từ 59-64 Ohm sử dụng, thì có bị mất phối hợp trở kháng hay không. Kỹ sư có thể xác định được, do các đường TL này có chiều dại điện (Electrical Length) rất ngắn, nên sẽ không ảnh hưởng lớn đến phối hợp trở kháng, và kỹ sư cũng có thể xác định được khoảng giá trị tụ nối tầng bao nhiêu thì sẽ không ảnh hưởng. Giá trị này xác định được > 22pF, hoàn toàn là giá trị kỹ sư có thể tự xác định được với thiết kế này, mà không dựa vào bất kỳ tài liệu recommend hay reference design nào từ hãng.

Solve step 4: Tạo mô hình EM cho đường Transmission Line

Solve step 5: Kiểm tra chi tiết bằng EM simulation

Tại bước này, kỹ sư có thể hoàn toàn chủ động việc thay đổi giá trị linh kiện và kiểm tra trong khoảng tần số nào các bạn muốn, cụ thể với thiết lập bên trên sẽ kiểm tra trong khoảng tần số từ 2GHz- 3GHz, và với giá trị tụ 33pF

Đến đây, kỹ sư có thể dựa trên kết quả để đánh giá được thiết kế layout hiện tại có bị mất phối hợp trở kháng khi đi đặt mạch hay không, và khi đặt mạch về, để không bị mất phối hợp trở kháng thì cần sử dụng linh kiện loại nào.

Kết luận: “Don’t need to change layout, recommend used 33pF capacitor CG0/NP0 with self resonance frequence > 4GHz” – đây là bằng chứng thép cho thấy: các bạn kỹ sư không cần đập đi xây lại, chỉ cần hiểu bản chất linh kiện và mô phỏng đúng, bạn sẽ cứu được dự án.

1/ Ngoài kiểm tra được phối hợp trở kháng ở Matching circuit 1 (Hình 1), có thể kiểm tra được thiết kế của Mạch phối hợp trở kháng 2 (Với Antenna) không?

2/ Có thể xác định được các thông số của Antenna không? Những thông số gì cần xác định?

3/ Antenna thiết kế như vậy, thì mạch phối hợp trở kháng với nó sẽ xác định như thế nào?

4/ Tại sao trong mạch trên lại sử dụng tụ 33pF NP0/CG0 với tần số tự cộng hưởng lớn hơn 4 GHz?

“Muốn biết cách mô phỏng để kiểm chứng lại thiết kế từ Reference Design trước khi gửi đi sản xuất? khóa học RF Fundamental tại ThinkHub sẽ hướng dẫn bạn kỹ thuật này.”

Các bạn hãy để lại bình luận và cùng trao đổi thêm nhé