Šta je širina linije?

Počnimo s osnovama. Šta je zapravo širina traga? Zašto je važno navesti određenu širinu traga? Svrha PCB ožičenje je za povezivanje bilo koje vrste električnog signala (analognog, digitalnog ili napajanja) s jednog čvora na drugi.

Čvor može biti pin komponente, grana većeg traga ili ravni ili prazna podloga ili ispitna tačka za sondiranje. Širine tragova obično se mjere u millovima ili hiljadama inča. Standardne širine ožičenja za obične signale (bez posebnih zahtjeva) mogu biti dugačke nekoliko inča u rasponu od 7-12 milja, ali prilikom definiranja širine i dužine ožičenja treba uzeti u obzir mnoge faktore.

Aplikacija obično pokreće širinu ožičenja i vrstu ožičenja u dizajnu PCB -a i, u nekom trenutku, obično uravnotežuje troškove proizvodnje PCB -a, gustoću/veličinu ploče i performanse. Ako ploča ima posebne zahtjeve za dizajn, kao što su optimizacija brzine, potiskivanje buke ili sprezanja, ili velika struja/napon, širina i vrsta traga mogu biti važniji od optimiziranja troškova proizvodnje gole PCB -a ili ukupne veličine ploče.

Specifikacija koja se odnosi na ožičenje u proizvodnji PCB -a

Obično sljedeće specifikacije vezane za ožičenje počinju povećavati troškove proizvodnje golih PCBS -a.

Zbog strožih tolerancija PCB-a i vrhunske opreme potrebne za proizvodnju, pregled ili ispitivanje PCBS-a, troškovi postaju prilično visoki:

L Širina tragova manja od 5 mil (0.005 inča)

L Razmak tragova manji od 5 milja

L Kroz rupe promjera manjeg od 8 mil

L Debljina tragova manja ili jednaka 1 unci (jednaka 1.4 milja)

L Diferencijalni par i kontrolirana dužina ili impedancija ožičenja

Dizajni velike gustoće koji kombiniraju zauzimanje prostora na PCB-u, poput vrlo fino raspoređenih BGA-a ili paralelnih sabirnica s velikim brojem signala, mogu zahtijevati širinu linije od 2.5 mil, kao i posebne vrste prolaznih rupa promjera do 6 mil. kao laserski izbušene mikro-rupe. Nasuprot tome, neki projekti velike snage mogu zahtijevati vrlo veliko ožičenje ili ravninu, trošeći čitave slojeve i sipajući unce koje su deblje od standardnih. U aplikacijama ograničenim prostorom mogu biti potrebne vrlo tanke ploče koje sadrže nekoliko slojeva i ograničenu debljinu lijevanja bakra od pola unce (debljine 0.7 milimetara).

U drugim slučajevima, projekti za brzu komunikaciju s jedne periferije na drugu mogu zahtijevati ožičenje s kontroliranom impedansom i specifičnim širinama i razmakom jedan od drugog kako bi se smanjila refleksija i induktivna sprega. Ili dizajn može zahtijevati određenu dužinu kako bi odgovarao drugim relevantnim signalima u sabirnici. Visokonaponske aplikacije zahtijevaju određene sigurnosne značajke, poput minimiziranja udaljenosti između dva izložena diferencijalna signala kako bi se spriječilo stvaranje luka. Bez obzira na karakteristike ili značajke, praćenje definicija je važno, pa istražimo različite aplikacije.

Različite širine i debljine ožičenja

PCBS obično sadrži različite širine linija jer ovise o zahtjevima signala (vidi sliku 1). Prikazani finiji tragovi su za signale nivoa TTL (logika tranzistor-tranzistor) opće namjene i nemaju posebne zahtjeve za zaštitu od velike struje ili buke.

To će biti najčešći tipovi ožičenja na ploči.

Deblje ožičenje optimizirano je za nosivost struje i može se koristiti za periferne uređaje ili funkcije povezane s napajanjem koje zahtijevaju veću snagu, poput ventilatora, motora i redovnog prijenosa energije na komponente nižeg nivoa. Gornji lijevi dio slike čak prikazuje i diferencijalni signal (USB velike brzine) koji definira određeni razmak i širinu kako bi zadovoljio zahtjeve impedancije od 90 ω. Slika 2 prikazuje nešto gušću ploču koja ima šest slojeva i zahtijeva sklop BGA (kuglasta mreža) za koji je potrebno finije ožičenje.

Kako izračunati širinu linije PCB -a?

Prođimo kroz proces izračunavanja određene širine traga za signal napajanja koji prenosi struju sa komponente napajanja na periferni uređaj. U ovom primjeru izračunat ćemo minimalnu širinu linije puta napajanja za istosmjerni motor. Put napajanja počinje od osigurača, prelazi H-most (komponenta koja se koristi za upravljanje prijenosom energije preko namotaja istosmjernog motora) i završava na konektoru motora. Prosječna kontinuirana maksimalna struja potrebna istosmjernom motoru iznosi oko 2 ampera.

Sada ožičenje PCB -a djeluje kao otpornik, a što je ožičenje duže i uže, to se povećava otpor. Ako ožičenje nije pravilno definirano, velika struja može oštetiti ožičenje i/ili uzrokovati značajan pad napona na motoru (što rezultira smanjenom brzinom). NetC21_2 prikazan na slici 3 dugačak je oko 0.8 inča i mora nositi maksimalnu struju od 2 ampera. Ako pretpostavimo neke opće uvjete, kao što je 1 unca lijevanja bakra i sobna temperatura tijekom normalnog rada, moramo izračunati minimalnu širinu cijevi i očekivani pad tlaka na toj širini.

Kako izračunati otpor ožičenja PCB -a?

Sljedeća jednadžba se koristi za područje traga:

Područje [Mils ²] = (struja [Ampera] / (K * (Povišenje_temperature [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), koje slijedi IPC kriterij vanjskog sloja (ili gornji / donji), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Imajte na umu da je jedina varijabla koju zaista moramo umetnuti trenutna.

Korištenje ove regije u sljedećoj jednadžbi dat će nam potrebnu širinu koja nam govori širinu linije potrebnu za nošenje struje bez ikakvih potencijalnih problema:

Širina [Mils] = površina [Mils ^ 2] / (debljina [oz] * 1.378 [mils / oz]), pri čemu se 1.378 odnosi na standardnu ​​debljinu izlijevanja od 1 oz.

Ubacivanjem 2 ampera struje u gornji izračun dobivamo najmanje 30 mil ožičenja.

Ali to nam ne govori koliki će biti pad napona. To je više uključeno jer treba izračunati otpor žice, što se može učiniti prema formuli prikazanoj na slici 4.

U ovoj formuli, ρ = otpornost bakra, α = temperaturni koeficijent bakra, T = debljina traga, W = širina traga, L = dužina traga, T = temperatura. Ako su sve relevantne vrijednosti umetnute u 0.8 “dužine 30mils širine, otkrićemo da je otpor ožičenja oko 0.03? Smanjuje napon za oko 26 mV, što je u redu za ovu primjenu. Korisno je znati šta utječe na te vrijednosti.

Razmak i dužina kabela za PCB

Za digitalne dizajne s komunikacijama velike brzine, možda će biti potrebni određeni razmaci i prilagođene dužine kako bi se smanjili preslušavanje, povezivanje i refleksija. U tu svrhu, neke uobičajene aplikacije su serijski diferencijalni signali zasnovani na USB-u i paralelni diferencijalni signali zasnovani na RAM-u. Obično će USB 2.0 zahtijevati diferencijalno usmjeravanje na 480Mbit/s (USB klasa velike brzine) ili više. This is partly because high-speed USB typically operates at much lower voltages and differences, bringing the overall signal level closer to background noise.

Tri su važne stvari koje treba uzeti u obzir pri usmjeravanju USB kabela velike brzine: širina žice, razmak elektroda i duljina kabela.

Sve ovo je važno, ali najkritičnije od tri je osigurati da se duljine dviju linija podudaraju što je više moguće. Općenito, ako se dužine kabela međusobno ne razlikuju za najviše 50 milja (za brzi USB), to značajno povećava rizik od refleksije, što može dovesti do slabe komunikacije. Usklađena impedancija od 90 ohma opća je specifikacija za ožičenje parova diferencijala. Da bi se postigao ovaj cilj, usmjeravanje treba optimizirati po širini i razmaku.

Slika 5 prikazuje primjer diferencijalnog para za ožičenje USB sučelja velike brzine koji sadrži ožičenje širine 12 mil u intervalima od 15 mil.

Interfejsi za komponente zasnovane na memoriji koje sadrže paralelna sučelja (poput DDR3-SDRAM) bit će ograničenije u smislu dužine žice. Većina vrhunskih softvera za dizajn PCB-a imat će mogućnosti podešavanja duljine koje optimiziraju duljinu linije tako da odgovara svim relevantnim signalima u paralelnoj sabirnici. Slika 6 prikazuje primjer rasporeda DDR3 sa ožičenjem za podešavanje dužine.

Tragovi i ravni ispune tla

Neke aplikacije sa komponentama osjetljivim na buku, poput bežičnih čipova ili antena, mogu zahtijevati malo dodatne zaštite. Dizajniranje ožičenja i ravnina s ugrađenim rupama za uzemljenje može uvelike pomoći u smanjenju spajanja obližnjih ožičenja ili odabira aviona i signala koji se uvlače u rubove ploče.

Na slici 7 prikazan je primjer Bluetooth modula postavljenog blizu ruba ploče, s njegovom antenom (putem sitotiskanih oznaka “ANT”) izvan debele linije koja sadrži ugrađene rupe povezane sa tlom. To pomaže u izolaciji antene od drugih sklopova i aviona.

Ova alternativna metoda usmjeravanja kroz tlo (u ovom slučaju poligonalna ravnina) može se koristiti za zaštitu kruga ploče od vanjskih bežičnih signala izvan ploče. Slika 8 prikazuje PCB osjetljiv na buku sa uzemljenom ravninom ugrađenom kroz rupu duž periferije ploče.

Najbolje prakse za ožičenje PCB -a

Mnogi čimbenici određuju karakteristike ožičenja polja PCB -a, stoga svakako slijedite najbolje prakse pri ožičenju sljedeće PCB -a i pronaći ćete ravnotežu između cijene tiskane ploče, gustoće kola i ukupnih performansi.