Poin Penting dalam Desain PCB

Noise atau gangguan adalah poin penting dalam mendesain PCB. Hal ini terkait dengan istilah "Signal Integrity". Tiga hal penting yang harus dicapai dalam mendesain PCB,

1. PCB yang kita desain harus terlindungi dari noise.
2. Tidak memproduksi noise yang akan mengganggu sistem lain.
3. Menghasilkan kualitas signal yang baik; misal signal berbentuk persegi tanpa ada ripple.

Noise dihasilkan dari sistem lain maupun sistem yang kita desain. Ketika gelombang elektromagnet dari luar masuk kedalam sistem PCB kita, itulah yang dinamakan Electromagnetic Interference (EMI). Dan kemampuan sistem PCB kita untuk tidak terpengaruh oleh gelombang elektromagnetik dari luar dinamakan Electromagnetic Compatibility (EMC).

Medan Magnet

Dalam hukum Lenz, medan magnetik (B) akan dihasilkan ketika terdapat arus listrik (i) yang mengalir dalam sebuah konduktor (Sesuai dengan kaidah tangan kanan).

Medan magnetik total dalam sebuah area dinamakan flux magnet (satuan Wb).

Ketika terjadi perubahan flux dalam sebuah konduktor, maka akan terjadi tegangan induksi E (hukum Induksi dari Faraday). 

Tanda minus menandakan gaya elektromagnet (emf) yang dinduksi akan menghasilkan arus listrik, yang kemudian menghasilkan flux magnet yang melawan perubahan flux magnet; Ini dinamakan self-inductance. Self-inductance ini akan menghambat perubahan arus listrik. Inilah yang menjadikan komponen induktor mempunyai nilai induktansi dan menghambat arus AC. Nilai induktansi L adalah sebagai berikut,

Nilai induktansi L adalah sebanding dengan jumlah lilitan N dan flux magnet, tetapi berbanding terbalik dengan arus I.

Jika sebuah konduktor II (gambar konduktor sebelah kanan) didekatkan ke sebuah konduktor I yang mempunyai perubahan arus listrik (gambar konduktor sebelah kiri), maka flux magnet akan terinduksi pada konduktor II. Sesuai hukum induksi Faraday, maka akan tercipta tegangan pada konduktor II. Perhatikan dalam gambar dibawah bagaimana arah arus yang berkebalikan, konduktor I arah arus ke dalam sedangkan konduktor II arah arus keluar.

Karena flux magnet yang menginduksi konduktor II yang kemudian menghasilkan arus listrik, maka konduktor II juga akan menghasilkan flux magnet yang melawan flux magnet konduktor I. Jika jarak antar dua konduktor ini cukup dekat maka kedua konduktor ini akan saling mempengaruhi, yang dinamakan mutual inductance.

Ketika sebuah jalur di PCB menginduksi jalur lain didekatnya, inilah yang dinamakan Crosstalk. Hal ini akan menghasilkan noise yang akan mempengaruhi jalur PCB disekitarnya.

Loop Inductance
Sebagai contoh kita mengatur sebuah circuit seperti dalam gambar berikut, sumber tegangan Vs, dan beban RL.

Perhatikan bagaimana arah lingkaran - lingkaran medan magnet. Medan magnet dari sumber dan medan magnet dari beban mempunyai arah yang berkebalikan. Sehingga menurunkan flux magnet dan juga induktansi L. Gambar dibawah adalah contoh arah medan magnet dua konduktor yang berdekatan.

Dari gambar diatas menunjukkan jika dua konduktor dengan arah arus yang berkebalikan akan menghasilkan induktansi yang kecil, yang berarti loop induktansi yang kecil.

Dari persamaan diatas jika induktansi kecil maka nilai reaktansi (hambatan pada induktor) XL juga kecil, sehingga voltage drop juga kecil (Crosstalk dan EMI juga kecil).

Untuk menghasilkan nilai reaktansi yang kecil dibutuhkan desain ground yang baik, buatlah desain ground pada PCB agar berdekatan dengan jalur PCB, dan juga buatlah ground PCB seluas mungkin.

Oleh karena itu biasanya dalam desain PCB, bottom layer dari PCB adalah ground, dan buat selebar - lebarnya.

Perhatikan juga dalam gambar dibawah bagaimana arah arus yang berfrekuensi tinggi mengalir dari driving gate ke beban, kemudian dari beban arah arus mengikuti jalur PCB kembali ke driving gate (note: bottom layer adalah ground penuh). Ini terjadi karena pada frekuensi tinggi arah arus akan memilih jalur yang mempunyai reaktansi XL terkecil, yang tidak lain adalah dibawah jalur PCB.

Lalu apa yang terjadi pada frekuensi rendah, perhatikan gambar dibawah,

Arah arus pada jalur PCB yang mempunyai frekuensi rendah akan mempunyai arah yang tidak beraturan. Oleh karena itu selalu buatlah gound layer yang seluas mungkin.

Sekian semoga bermanfaat penjelasan desain PCB diatas. ^_^