微電腦周邊電基板路導線設計

a. LED 電流導線的設計
    LED 組件廣泛應用在微電腦介面設備，不過大部份的LED 封裝位置，距離計算機本身相當遠。LED 只要維持適當亮度即可的同時，某些情況要求在明亮環境下能夠輕易判別LED的輝度，然而即使相同的驅動電流IF，LED 的輝度隨著發光色出現差異(表1)。如圖1 所示LED 的電流高達數十mA，隨著LED 電流導線長度與路徑的延伸，LED的ON/OFF經常成為周邊電路發生切換噪訊(switching noise)的誘因。
 
表1 LED 的發光色與輝度關係
 
圖1 典型LED 驅動電路
    因此封裝時驅動晶體管必需盡量靠近LED，藉此縮減LED 電流IC 的流動路徑。LED 的輝度與驅動電流呈比例，一般設計上是以綠色LED 作基準，依照表1 的設定值改變各色的電流值。LED 電路基板圖案可依照圖2 的矩陣(matrix)方式排列，如此一來外觀上顯得非常簡潔，驅動晶體管則當作數字晶體管(digital transistor)，串聯電阻一般是設在電路基板背面。
 
圖2 典型LED 驅動電路板的圖案(雙面電路板)

b.7 時段LED 的common端子設計
    圖3 是利用微處理器控制的open drain 端子動態驅動陽極(anode)common type 7 時段(segment)LED 電路圖，從電源到7時段LED common端子的導線，基於全時段點燈時電流高達40～100mA的考慮，因此設計上盡量加粗電路基板的圖案(pattern)導線寬度。使用雙面電路基板與disc lead的場合，組件必需設在顯示器的外側，如此才能避免影響7 時段LED的封裝作業。晶元(chip)組件若設在基板背面時，如圖4 所示可以消除顯示器周圍的組件，如果加上連接器(connector)cn1，封裝后的LED 模塊可以直接固定在微電腦內。圖4 是利用電路板圖案設計CAD EAGLE 軟體自動布線，該軟體具備全自動自動Layout 功能，而且可以不限次數變更設計，此外自動routing 可透過試算錯誤尋求各種路徑(route)，不過筆者建議初期設定時，基板背面的布線采直交方式，事後比較容易修改，尤其是類似這種電路，若未特定布線方向成功機率非常低。
 
圖3 7 時段LED 的動態驅動電路圖
 
圖4 chip組件構成的7 時段LED 電路板圖案(雙面電路板)

c. 高濕度環境用的基板布線
    照片1 是內建周邊電路的濕度感測器CHS-GSS 實際外觀，如圖5 所示相對濕度100%時CHS-GSS濕度感測器只有1V，所以可以當作數字電壓計直接讀取濕度。如果與微處理器的A-D converter 連接時，必需轉換成5v等級(range)。
 
照片1 濕度感測器CHS-GSS外觀
 
圖5 濕度感測器的相對-輸出電壓特性
    圖6 的電路使用單電源，它是由rail to rail OP增幅器構成，可以將濕度感測器的1V轉換成5V，此外利用圖中的gain微調器VR1，可以使gain成為(1+480/120)=5。
 
圖6 擴大濕度感測器輸出範圍的電路
    布線設計上為了降低高濕度環境時的漏電(leak)現象，必需避免在OP增幅器接地(ground)之間設置圖案，同時盡量加大圖案之間的間隔縮減圖案導線的寬度。圖中R1，R2 使用1/4W±1%金屬皮膜電阻；圖7 是auto router 繪製的雙面電路基板圖案，焊接面為全接地(fullground)，本電路基板封裝測試試后再用樹脂包覆防濕。
 
圖7 濕度感測器周邊電路的pattern
(雙面電路板，未標示背面接地)

d. 微處理器內建A-D converter 時，前置增幅器周邊的模擬/數字分離技巧
     最近幾年單片微機大多內嵌A-D Converter(以下簡稱為ADC)，封裝這類微處理器時，必需防止模擬ADC 受到數字電路噪訊的影響。圖8 是小型單片微機與ADC 用置增幅器(pre-amplifier)的電路圖，圖中的IC1 為輸出入rail to rail的OP增幅器，它是ADC前置增幅器的10 倍電壓gain非反相增幅電路；IC2 是dropout 定電壓電源，它可以產生3.3V數字與模擬電路的電源；IC2 使用Renasas 公司開發的R8C/Tiny 系列小型微處理器，該晶元內建10 位循序比較型ADC，第14 號腳架(pin)除了可以輸入模擬信號之外，同時也是ADC用模擬輸入埠(port)。接著介紹 除外的表面封裝組件，封裝在雙面印刷電路基板的技巧。
 
圖8 內嵌A-D converter 的微處理器與前置增幅周邊電路
    圖9 是接地與電源電路的基板圖案。接地圖案設計上的重點，必需明確分離模擬接地(以下簡稱為AGND)與數字接地(以下簡稱為DGND)，此處為配合電位因此採取單接點設計，如此設計可以防止數字電路的噪訊，造成ADC的轉換精度降低等問題，因此圖9 的AGND 與DGND 連接點設在IC3 的Vss端子(5 號腳架)附近。
 
圖9 IC3周邊電路的pattern 說明
    本電路使用的微處理器接地端Vss 子只有一條，不過其它型號的IC 則將AGND 與DGND端子分離，因此必需將AGND 與DGND 的pattern作明確的分離與單點連接(圖11)。電源電路需注意的是與IC2 輸出入連接的C3，C5兩電容的設置，因為未降低輸出入端子的高頻阻抗時，低dropout 電壓的電源IC會有波動之虞，所以C3，C5盡量靠近IC2 設置，同時還需要縮減導線長度加粗導線寬度。
 
圖10 AGND 與DGND 明確分離作單點連接
    圖11 是前置增幅周邊電路的電路基板pattern，如圖所示C2 設置在IC1 附近，由於電壓復歸型OP 增幅器反相輸入端子的輸入阻抗很高，極易受到外部噪訊的影響，所以圖11 的電路基板圖案，刻意縮短至反相輸入端子(IC1 的3 號腳架)的導線長度，圖中R3 是分割容量性負載與OP 增幅器輸出端子的電阻，OP 增幅器與微處理器之間的導線很長時，該電阻必需盡量設置在OP增幅器附近。
 
圖11 前置增幅器周邊電路的pattern
    描繪AGND時必需盡量降低AGND 本身的阻抗，實際布線圖案除了採用full pattern之外，前置增幅器的輸出入導線應用貫穿孔(through hole)設計，使導線繞到AGND 背面藉此降低AGND 的阻抗。此外包含前置增幅器在內封裝模擬電路的基板背面，不可有任何數字信號(包含DGND)流通，主要目的是要防止容量結合，造成數字電路的信號變成噪訊影響模擬電路的動作。