微电脑周边电基板路导线设计

a. LED 电流导线的设计
    LED 组件广泛应用在微电脑接口设备，不过大部份的LED 封装位置，距离计算机本身相当远。LED 只要维持适当亮度即可的同时，某些情况要求在明亮环境下能够轻易判别LED的辉度，然而即使相同的驱动电流IF，LED 的辉度随着发光色出现差异(表1)。如图1 所示LED 的电流高达数十mA，随着LED 电流导线长度与路径的延伸，LED的ON/OFF经常成为周边电路发生切换噪讯(switching noise)的诱因。
 
表1 LED 的发光色与辉度关系
 
图1 典型LED 驱动电路
    因此封装时驱动晶体管必需尽量靠近LED，藉此缩减LED 电流IC 的流动路径。LED 的辉度与驱动电流呈比例，一般设计上是以绿色LED 作基准，依照表1 的设定值改变各色的电流值。LED 电路基板图案可依照图2 的矩阵(matrix)方式排列，如此一来外观上显得非常简洁，驱动晶体管则当作数字晶体管(digital transistor)，串联电阻一般是设在电路基板背面。
 
图2 典型LED 驱动电路板的图案(双面电路板)

b.7 时段LED 的common端子设计
    图3 是利用微处理器控制的open drain 端子动态驱动阳极(anode)common type 7 时段(segment)LED 电路图，从电源到7时段LED common端子的导线，基于全时段点灯时电流高达40～100mA的考虑，因此设计上尽量加粗电路基板的图案(pattern)导线宽度。使用双面电路基板与disc lead的场合，组件必需设在显示器的外侧，如此才能避免影响7 时段LED的封装作业。芯片(chip)组件若设在基板背面时，如图4 所示可以消除显示器周围的组件，如果加上连接器(connector)cn1，封装后的LED 模块可以直接固定在微电脑内。图4 是利用电路板图案设计CAD EAGLE 软件自动布线，该软件具备全自动自动Layout 功能，而且可以不限次数变更设计，此外自动routing 可透过试算错误寻求各种路径(route)，不过笔者建议初期设定时，基板背面的布线采直交方式，事后比较容易修改，尤其是类似这种电路，若未特定布线方向成功机率非常低。
 
图3 7 时段LED 的动态驱动电路图
 
图4 chip组件构成的7 时段LED 电路板图案(双面电路板)

c. 高湿度环境用的基板布线
    照片1 是内建周边电路的湿度传感器CHS-GSS 实际外观，如图5 所示相对湿度100%时CHS-GSS湿度传感器只有1V，所以可以当作数字电压计直接读取湿度。如果与微处理器的A-D converter 连接时，必需转换成5v等级(range)。
 
照片1 湿度传感器CHS-GSS外观
 
图5 湿度传感器的相对-输出电压特性
    图6 的电路使用单电源，它是由rail to rail OP增幅器构成，可以将湿度传感器的1V转换成5V，此外利用图中的gain微调器VR1，可以使gain成为(1+480/120)=5。
 
图6 扩大湿度传感器输出范围的电路
    布线设计上为了降低高湿度环境时的漏电(leak)现象，必需避免在OP增幅器接地(ground)之间设置图案，同时尽量加大图案之间的间隔缩减图案导线的宽度。图中R1，R2 使用1/4W±1%金属皮膜电阻；图7 是auto router 绘制的双面电路基板图案，焊接面为全接地(fullground)，本电路基板封装测试试后再用树脂包覆防湿。
 
图7 湿度传感器周边电路的pattern
(双面电路板，未标示背面接地)

d. 微处理器内建A-D converter 时，前置增幅器周边的模拟/数字分离技巧
     最近几年单片微机大多内嵌A-D Converter(以下简称为ADC)，封装这类微处理器时，必需防止模拟ADC 受到数字电路噪讯的影响。图8 是小型单片微机与ADC 用置增幅器(pre-amplifier)的电路图，图中的IC1 为输出入rail to rail的OP增幅器，它是ADC前置增幅器的10 倍电压gain非反相增幅电路；IC2 是dropout 定电压电源，它可以产生3.3V数字与模拟电路的电源；IC2 使用Renasas 公司开发的R8C/Tiny 系列小型微处理器，该芯片内建10 位循序比较型ADC，第14 号脚架(pin)除了可以输入模拟信号之外，同时也是ADC用模拟输入埠(port)。接着介绍 除外的表面封装组件，封装在双面印刷电路基板的技巧。
 
图8 内嵌A-D converter 的微处理器与前置增幅周边电路
    图9 是接地与电源电路的基板图案。接地图案设计上的重点，必需明确分离模拟接地(以下简称为AGND)与数字接地(以下简称为DGND)，此处为配合电位因此采取单接点设计，如此设计可以防止数字电路的噪讯，造成ADC的转换精度降低等问题，因此图9 的AGND 与DGND 连接点设在IC3 的Vss端子(5 号脚架)附近。
 
图9 IC3周边电路的pattern 说明
    本电路使用的微处理器接地端Vss 子只有一条，不过其它型号的IC 则将AGND 与DGND端子分离，因此必需将AGND 与DGND 的pattern作明确的分离与单点连接(图11)。电源电路需注意的是与IC2 输出入连接的C3，C5两电容的设置，因为未降低输出入端子的高频阻抗时，低dropout 电压的电源IC会有波动之虞，所以C3，C5尽量靠近IC2 设置，同时还需要缩减导线长度加粗导线宽度。
 
图10 AGND 与DGND 明确分离作单点连接
    图11 是前置增幅周边电路的电路基板pattern，如图所示C2 设置在IC1 附近，由于电压复归型OP 增幅器反相输入端子的输入阻抗很高，极易受到外部噪讯的影响，所以图11 的电路基板图案，刻意缩短至反相输入端子(IC1 的3 号脚架)的导线长度，图中R3 是分割容量性负载与OP 增幅器输出端子的电阻，OP 增幅器与微处理器之间的导线很长时，该电阻必需尽量设置在OP增幅器附近。
 
图11 前置增幅器周边电路的pattern
    描绘AGND时必需尽量降低AGND 本身的阻抗，实际布线图案除了采用full pattern之外，前置增幅器的输出入导线应用贯穿孔(through hole)设计，使导线绕到AGND 背面藉此降低AGND 的阻抗。此外包含前置增幅器在内封装模拟电路的基板背面，不可有任何数字信号(包含DGND)流通，主要目的是要防止容量结合，造成数字电路的信号变成噪讯影响模拟电路的动作。