La importància de l’amplada de la línia de PCB en el disseny de PCB

Què és l’amplada de línia?

Comencem pels conceptes bàsics. Què és exactament l’amplada de traça? Per què és important especificar una amplada de traça específica? El propòsit d’ PCB el cablejat consisteix a connectar qualsevol tipus de senyal elèctric (analògic, digital o de potència) d’un node a un altre.

Un node pot ser un passador d’un component, una branca d’un traç o avió més gran, o un coixinet buit o un punt de prova per sondar. Les amplades de traça se solen mesurar en milers o milers de polzades. Les amplades de cablejat estàndard per a senyals ordinaris (sense requisits especials) poden tenir una longitud de diverses polzades en el rang de 7-12 mils, però cal tenir en compte molts factors a l’hora de definir l’amplada i la longitud del cablejat.

ipcb

L’aplicació normalment condueix l’amplada i el tipus de cablejat en el disseny de PCB i, en algun moment, sol equilibrar el cost de fabricació de PCB, la densitat / mida de la placa i el rendiment. Si la placa té requisits de disseny específics, com ara l’optimització de la velocitat, la supressió del soroll o de l’acoblament, o el corrent / voltatge elevat, l’amplada i el tipus de traça poden ser més importants que optimitzar el cost de fabricació d’una PCB nua o la mida general de la placa.

Especificació relativa al cablejat en la fabricació de PCB

Normalment, les següents especificacions relacionades amb el cablejat comencen a augmentar el cost de fabricació de PCBS nu.

A causa de les toleràncies de PCB més estrictes i dels equips de gamma alta necessaris per a la fabricació, inspecció o prova de PCBS, els costos són força elevats:

L Amplada de traça inferior a 5 milers (0.005 polzades)

L Traçat inferior a 5 mils

L Forats passants de menys de 8 mil·límetres de diàmetre

L Gruix de traça inferior o igual a 1 unça (igual a 1.4 mils)

L Parell diferencial i longitud controlada o impedància de cablejat

Els dissenys d’alta densitat que combinen la presa d’espai de PCB, com ara BGA molt finament espaiats o autobusos paral·lels amb un gran nombre de senyals, poden requerir una amplada de línia de 2.5 mil, així com tipus especials de forats passants amb diàmetres de fins a 6 mil. com a forats de microtransmissió perforats amb làser. Per contra, alguns dissenys d’alta potència poden requerir un cablejat o plans molt grans, consumint capes senceres i abocant unces que són més gruixudes que l’estàndard. En aplicacions limitades per l’espai, poden ser necessàries plaques molt fines que contenen diverses capes i un gruix limitat de fosa de coure de mitja unça (0.7 mil gruixos).

En altres casos, els dissenys per a comunicacions d’alta velocitat d’un perifèric a un altre poden requerir cablejat amb impedància controlada i amplades específiques i espaiats entre si per minimitzar la reflexió i l’acoblament inductiu. O bé, el disseny pot requerir una certa longitud perquè coincideixi amb altres senyals rellevants del bus. Les aplicacions d’alta tensió requereixen certes característiques de seguretat, com ara minimitzar la distància entre dos senyals diferencials exposats per evitar l’arc. Independentment de les característiques o característiques, és important el seguiment de definicions, així que explorem diverses aplicacions.

Diversos gruixos i amplades de cablejat

Els PCBS solen contenir una gran varietat d’amplades de línia, ja que depenen dels requisits de senyal (vegeu la figura 1). Les traces més fines que es mostren són per a senyals de nivell TTL (transistor-transistor logic) de propòsit general i no tenen requisits especials per a una protecció contra el corrent o el soroll elevats.

Aquests seran els tipus de cablejat més habituals a la placa.

S’ha optimitzat el cablejat més gruixut per a la capacitat de càrrega actual i es pot utilitzar per a perifèrics o funcions relacionades amb l’energia que requereixen una potència superior, com ara ventiladors, motors i transferències regulars de potència a components de nivell inferior. La part superior esquerra de la figura mostra fins i tot un senyal diferencial (USB d’alta velocitat) que defineix un espaiat i una amplada específics per complir els requisits d’impedància de 90 ω. La figura 2 mostra una placa de circuit una mica més densa que té sis capes i que requereix un conjunt BGA (bola de xarxa) que requereix un cablejat més fi.

Com es calcula l’amplada de la línia de PCB?

Passem pel procés de càlcul d’una amplada de traça determinada per a un senyal de potència que transfereix corrent d’un component de potència a un dispositiu perifèric. En aquest exemple, calcularem l’amplada mínima de línia del recorregut de potència d’un motor de corrent continu. El camí d’alimentació comença al fusible, creua el pont H (el component utilitzat per gestionar la transmissió d’energia a través dels bobinats del motor de corrent continu) i finalitza al connector del motor. El corrent màxim continu mitjà que requereix un motor de corrent continu és d’uns 2 amperes.

Ara, el cablejat del PCB actua com a resistència i, com més llarg i estret és el cablejat, més resistència s’afegeix. Si el cablejat no està definit correctament, el corrent elevat pot danyar el cablejat i / o provocar una caiguda de tensió important al motor (resultant en una velocitat reduïda). El NetC21_2 que es mostra a la figura 3 fa aproximadament 0.8 polzades de llarg i necessita transportar un corrent màxim de 2 amperes. Si assumim algunes condicions generals, com ara 1 unça d’abocament de coure i temperatura ambient durant el funcionament normal, hem de calcular l’amplada mínima de la línia i la caiguda de pressió esperada a aquesta amplada.

Com es calcula la resistència del cablejat del PCB?

La següent equació s’utilitza per a l’àrea de traça:

Àrea [Mils²] = (actual [Ampers] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), que segueix el criteri de capa externa (o superior / inferior) IPC, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Tingueu en compte que l’única variable que realment hem d’inserir és actual.

L’ús d’aquesta regió a la següent equació ens proporcionarà l’amplada necessària que ens indica l’amplada de línia necessària per transportar el corrent sense possibles problemes:

Amplada [Mils] = àrea [Mils ^ 2] / (gruix [oz] * 1.378 [mils / oz]), on 1.378 està relacionat amb el gruix estàndard d’abocament d’1 oz.

En inserir 2 amperes de corrent al càlcul anterior, obtenim un mínim de 30 mils de cablejat.

Però això no ens indica quina serà la caiguda de tensió. Això és més important, ja que necessita calcular la resistència del fil, que es pot fer segons la fórmula que es mostra a la figura 4.

En aquesta fórmula, ρ = resistivitat del coure, α = coeficient de temperatura del coure, T = gruix de traça, W = amplada de traça, L = longitud de traça, T = temperatura. Si tots els valors rellevants s’insereixen en una longitud de 0.8 “de 30mils d’amplada, trobem que la resistència del cablejat és d’uns 0.03? I redueix el voltatge uns 26 mV, cosa que està bé per a aquesta aplicació. És útil saber què afecta aquests valors.

Distància i longitud dels cables del PCB

Per als dissenys digitals amb comunicacions d’alta velocitat, pot ser necessari un espaiat específic i longituds ajustades per minimitzar la diafonía, l’acoblament i la reflexió. Per a aquest propòsit, algunes aplicacions habituals són els senyals diferencials en sèrie basats en USB i els senyals diferencials paral·lels basats en RAM. Normalment, l’USB 2.0 requereix un encaminament diferencial a 480 Mbits / s (classe USB d’alta velocitat) o superior. Això es deu, en part, al fet que l’USB d’alta velocitat sol funcionar a diferències i voltatges molt més baixos, apropant el nivell de senyal general al soroll de fons.

Hi ha tres coses importants que cal tenir en compte a l’hora d’encaminar cables USB d’alta velocitat: amplada del cable, espaiat dels cables i longitud del cable.

Tot això és important, però el més crític de les tres és assegurar-se que les longituds de les dues línies coincideixin al màxim. Com a norma general, si les longituds dels cables difereixen entre si ni més ni menys de 50 mils (per a USB d’alta velocitat), això augmenta significativament el risc de reflexió, cosa que pot provocar una mala comunicació. La impedància de coincidència de 90 ohms és una especificació general per al cablejat de parells diferencials. Per assolir aquest objectiu, s’ha d’optimitzar l’encaminament en amplada i espaiat.

La figura 5 mostra un exemple d’un parell diferencial per a cablejar interfícies USB d’alta velocitat que conté un cablejat d’ample de 12 mil en intervals de 15 mil.

Les interfícies per a components basats en memòria que continguin interfícies paral·leles (com ara DDR3-SDRAM) seran més restringides en termes de longitud del cable. La majoria dels programes de disseny de PCB de gamma alta tindran funcions d’ajust de longitud que optimitzen la longitud de la línia perquè coincideixi amb tots els senyals rellevants del bus paral·lel. La figura 6 mostra un exemple de disseny de DDR3 amb cablejat d’ajust de longitud.

Rastres i plans de farciment de terra

Algunes aplicacions amb components sensibles al soroll, com ara xips o antenes sense fils, poden requerir una mica de protecció addicional. Dissenyar cables i plans amb forats de terra incrustats pot ajudar a minimitzar l’acoblament de cablejats o avions propers i senyals fora de bord que s’arrosseguen cap a les vores del tauler.

La figura 7 mostra un exemple d’un mòdul Bluetooth situat a prop de la vora de la placa, amb la seva antena (mitjançant marques “ANT” serigrafiades) fora d’una línia gruixuda que conté forats passants incrustats connectats a la formació de terra. Això ajuda a aïllar l’antena d’altres circuits i plans a bord.

Aquest mètode alternatiu d’encaminament per terra (en aquest cas un pla poligonal) es pot utilitzar per protegir el circuit de la placa de senyals sense fils externs fora de placa. La figura 8 mostra un PCB sensible al soroll amb un pla incrustat a través de forats a través de la perifèria de la placa.

Bones pràctiques per al cablejat de PCB

Molts factors determinen les característiques del cablejat del camp del PCB, així que assegureu-vos de seguir les pràctiques recomanades a l’hora de connectar el proper PCB i trobareu un equilibri entre el cost fabulós del PCB, la densitat del circuit i el rendiment general.