Rất hay! Đây là kiến thức mà nhiều người tự học Altium thường bỏ qua, trong khi các sản phẩm công nghiệp như máy tính, điện thoại, router WiFi, PLC, camera IP hầu như đều sử dụng PCB 4 lớp hoặc nhiều hơn.
KHÓA HỌC ALTIUM DESIGNER
BÀI 8: THIẾT KẾ PCB 4 LỚP (4-LAYER PCB)
Mục tiêu
Sau bài học này bạn sẽ hiểu:
✅ Khi nào cần dùng PCB 4 lớp
✅ Ưu điểm của PCB 4 lớp
✅ Cách bố trí các lớp (Layer Stack)
✅ Plane GND
✅ Plane nguồn
✅ Đường hồi dòng (Return Current)
✅ EMI/EMC
✅ Cách thiết lập Layer Stack trong Altium
1. PCB 2 lớp có hạn chế gì?
Ví dụ một PCB 2 lớp
Top Layer
-------------------
Track
Track
Track
-------------------
Bottom Layer
Track
Track
Track
Sau một thời gian bạn sẽ gặp:
- Không còn chỗ đi dây.
- Đường nguồn quá dài.
- GND bị cắt nhỏ.
- Nhiễu tăng.
- WiFi yếu.
- USB không ổn định.
- ADC đọc không chính xác.
Đây là lúc nên cân nhắc chuyển sang PCB 4 lớp.
2. PCB 4 lớp là gì?
PCB sẽ có bốn lớp đồng.
Top Layer
----------------
Inner Layer 1
----------------
Inner Layer 2
----------------
Bottom Layer
Trong đó:
- Top và Bottom chủ yếu dùng để đặt linh kiện và đi tín hiệu.
- Hai lớp giữa thường dành cho GND và nguồn.
3. Layer Stack chuẩn
Đây là cấu trúc phổ biến nhất.
Layer 1
Top Signal
--------------------
Layer 2
Solid GND Plane
--------------------
Layer 3
Power Plane
--------------------
Layer 4
Bottom Signal
Đây cũng là cấu trúc mình khuyến nghị cho hầu hết các bo điều khiển sử dụng MCU.
4. Vì sao GND phải là một mặt phẳng (Solid Plane)?
Ví dụ:
██████████████████
GND Plane
Ưu điểm:
- Trở kháng thấp.
- Giảm nhiễu.
- Giảm EMI.
- Đường hồi dòng ngắn.
- Tản nhiệt tốt.
Đừng chia GND thành nhiều “đảo” nếu không có lý do rõ ràng.
5. Đường hồi dòng (Return Current)
Nhiều người chỉ nghĩ đến đường tín hiệu.
Ví dụ:
MCU
──────►
Sensor
Nhưng thực tế luôn có dòng quay về:
Signal →
────────────►
◄────────────
Return Current
Trong PCB 4 lớp:
Top Signal
────────►
Layer 2
██████████
GND Plane
Dòng hồi sẽ chạy ngay dưới đường tín hiệu, giúp giảm vòng lặp dòng điện (loop area) và giảm phát xạ điện từ.
6. Power Plane
Ví dụ:
Layer 3
██████████
3.3V
Bạn có thể phân chia lớp nguồn thành các vùng:
+-----------------------+
3V3
+-----------+-----------+
5V
12V
+-----------------------+
Tuy nhiên, hãy đảm bảo các vùng nguồn không làm gián đoạn GND Plane.
7. Khoảng cách giữa các lớp
Một ví dụ điển hình:
Top
0.18 mm
GND
0.18 mm
Power
1.2 mm
Bottom
Khoảng cách thực tế phụ thuộc vào stack-up của nhà sản xuất PCB.
8. Vì sao GND đặt sát Top?
Ví dụ:
Top
Signal
----------------
GND
Đường hồi dòng sẽ:
- ngắn hơn,
- ít nhiễu hơn,
- giảm cảm kháng,
- cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu.
Đó là lý do Layer 2 thường là GND Plane.
9. Thiết lập Layer Stack trong Altium
Mở:
Design
↓
Layer Stack Manager
Bạn sẽ thấy:
Top
↓
Dielectric
↓
Inner1
↓
Dielectric
↓
Inner2
↓
Dielectric
↓
Bottom
Đặt tên:
Top
GND
POWER
Bottom
Đặt rõ tên lớp giúp quản lý dễ hơn.
10. Gán loại lớp
Ví dụ:
| Layer | Chức năng |
|---|---|
| Top | Signal |
| Inner1 | GND Plane |
| Inner2 | Power Plane |
| Bottom | Signal |
11. Via
Một Via có thể nối:
Top
↓
GND
↓
Power
↓
Bottom
Bạn cũng sẽ gặp các loại via khác trong các thiết kế phức tạp hơn:
- Through Via.
- Blind Via.
- Buried Via.
- Microvia (thường dùng với HDI).
12. Stitching Via
Đây là kỹ thuật rất quan trọng.
Ví dụ:
████████████████
●
●
●
●
████████████████
Các Via nối GND giữa các lớp sẽ:
- giảm trở kháng GND,
- cải thiện che chắn EMI,
- tăng khả năng tản nhiệt.
Thường đặt quanh mép PCB và gần các khu vực nhiễu.
13. Thermal Via
Ví dụ dưới IC công suất:
■■■■■■■■
● ● ● ●
● ● ● ●
● ● ● ●
Giúp truyền nhiệt xuống các lớp bên dưới.
14. Tách Analog và Digital?
Ngày trước người ta thường chia:
AGND
DGND
Ngày nay, với nhiều MCU hiện đại, xu hướng là dùng một GND Plane liên tục, sau đó bố trí linh kiện và đường đi hợp lý để giảm nhiễu. Chỉ trong các thiết kế đặc biệt (ví dụ ADC độ phân giải rất cao, RF, audio chuyên dụng…) mới cần xem xét tách vùng và vẫn phải nối tại điểm thích hợp theo khuyến nghị của nhà sản xuất.
15. PCB ESP32 nên dùng mấy lớp?
Board học tập
✔ 2 Layer
Đủ.
Sản phẩm thương mại
Khuyến nghị:
✔ 4 Layer
Đặc biệt nếu có:
- WiFi
- Bluetooth
- USB
- Nguồn chuyển mạch
- ADC
- Ethernet
- Nhiều tín hiệu tốc độ cao
16. Những lỗi thường gặp
❌ Chia GND thành nhiều mảnh.
❌ Đường tín hiệu cắt qua khe của GND Plane.
❌ Đặt nhiều vùng nguồn nhưng không kiểm soát đường hồi dòng.
❌ Không thêm GND Stitching Via.
❌ Đặt tụ decoupling quá xa IC.
17. Thiết kế PCB 4 lớp cho ESP32
Một sơ đồ hợp lý:
Top
--------------------------------
ESP32
USB
LDO
Header
Tín hiệu chính
--------------------------------
Inner 1
████████████████████████████████
Solid GND Plane
████████████████████████████████
--------------------------------
Inner 2
3V3
5V
(nếu cần, chia vùng nguồn hợp lý)
--------------------------------
Bottom
Các tín hiệu còn lại
Lưu ý vẫn phải tuân theo khuyến nghị về vùng keep-out của anten ESP32 trên tất cả các lớp nếu datasheet yêu cầu.
Bài tập thực hành
Thiết kế một Layer Stack 4 lớp với:
- Top: Signal
- Inner1: GND
- Inner2: 3.3V và 5V
- Bottom: Signal
Sau đó:
- Tạo Layer Stack trong Altium.
- Đặt tên các lớp.
- Quan sát cách hiển thị từng lớp.
- Tạo một Polygon GND trên lớp GND (nếu quy trình thiết kế của bạn sử dụng polygon thay cho plane).
Bài 9 sẽ còn thú vị hơn
Chúng ta sẽ học:
Thiết kế mạch nguồn Buck Converter chuyên nghiệp
Đây là phần mà rất nhiều PCB mới gặp lỗi do bố trí chưa đúng. Chúng ta sẽ tìm hiểu:
- Cách chọn IC Buck.
- Tính toán cuộn cảm và tụ.
- Đường dòng điện có xung lớn (High Current Loop).
- Bố trí linh kiện để giảm EMI.
- Tản nhiệt.
- Kiểm tra bằng quy tắc layout.
Sau bài này, bạn sẽ hiểu vì sao hai mạch dùng cùng một sơ đồ nguyên lý nhưng chỉ khác cách bố trí PCB lại có thể cho kết quả hoàn toàn khác nhau về nhiệt độ, độ ổn định và mức nhiễu.