Co je šířka čáry?

Začněme se základy. Co přesně je šířka stopy? Proč je důležité určit konkrétní šířku stopy? Účelem PCB kabeláž je pro připojení jakéhokoli druhu elektrického signálu (analogového, digitálního nebo napájecího) z jednoho uzlu do druhého.

Uzel může být kolík součásti, větev větší stopy nebo roviny nebo prázdný blok nebo testovací bod pro sondování. Šířky stopy jsou obvykle měřeny v mils nebo tisících palců. Standardní šířky kabelů pro běžné signály (žádné zvláštní požadavky) mohou mít délku několika palců v rozmezí 7 až 12 mil, při definování šířky a délky kabelů je však třeba vzít v úvahu mnoho faktorů.

Aplikace typicky řídí šířku a typ zapojení v návrhu DPS a v určitém okamžiku obvykle vyvažuje náklady na výrobu DPS, hustotu/velikost desky a výkon. Pokud má deska specifické konstrukční požadavky, jako je optimalizace rychlosti, potlačení šumu nebo vazby nebo vysoký proud/napětí, může být šířka a typ stopy důležitější než optimalizace výrobních nákladů na holý PCB nebo celkovou velikost desky.

Specifikace týkající se kabeláže při výrobě DPS

Následující specifikace týkající se zapojení obvykle začínají zvyšovat náklady na výrobu holých PCBS.

Díky přísnějším tolerancím PCB a špičkovému vybavení požadovanému pro výrobu, kontrolu nebo testování PCBS se náklady stávají poměrně vysokými:

L Šířka stopy menší než 5 mil (0.005 palce)

L Rozteč trasování menší než 5 mil

L Průchozí otvory o průměru menším než 8 mil

L Tloušťka stopy menší nebo rovna 1 unci (rovná se 1.4 mils)

L Diferenciální pár a řízená délka nebo impedance zapojení

Konstrukce s vysokou hustotou, které kombinují zabírání místa na desce plošných spojů, jako jsou velmi jemně rozmístěné paralelní sběrnice BGA nebo vysoký počet signálů, mohou vyžadovat šířku čáry 2.5 mil., Stejně jako speciální typy průchozích otvorů o průměru až 6 mil. jako laserem vrtané mikrotrubové otvory. Naopak, některé vysoce výkonné konstrukce mohou vyžadovat velmi velká vedení nebo roviny, které spotřebovávají celé vrstvy a nalévají unce, které jsou silnější než standard. V prostorově omezených aplikacích mohou být vyžadovány velmi tenké desky obsahující několik vrstev a omezenou tloušťku lití mědi půl unce (tloušťka 0.7 mil).

V jiných případech mohou návrhy pro vysokorychlostní komunikaci z jedné periferie do druhé vyžadovat zapojení s řízenou impedancí a specifickými šířkami a vzájemnými odstupy, aby se minimalizoval odraz a indukční vazba. Nebo konstrukce může vyžadovat určitou délku, aby odpovídala dalším relevantním signálům ve sběrnici. Aplikace vysokého napětí vyžadují určité bezpečnostní funkce, jako je minimalizace vzdálenosti mezi dvěma exponovanými diferenciálními signály, aby se zabránilo oblouku. Bez ohledu na vlastnosti nebo funkce je definice trasování důležitá, pojďme tedy prozkoumat různé aplikace.

Různé šířky a tloušťky vodičů

PCBS obvykle obsahují různé šířky čar, protože závisí na požadavcích na signál (viz obrázek 1). Zobrazené jemnější stopy jsou pro obecné signály úrovně TTL (tranzistor-tranzistorová logika) a nemají žádné zvláštní požadavky na ochranu proti vysokému proudu nebo hluku.

Toto budou nejběžnější typy kabelů na desce.

Silnější kabeláž byla optimalizována pro proudovou zatížitelnost a lze ji použít pro periferie nebo funkce související s napájením, které vyžadují vyšší výkon, jako jsou ventilátory, motory a pravidelné přenosy energie do komponent nižší úrovně. Levá horní část obrázku dokonce ukazuje diferenciální signál (vysokorychlostní USB), který definuje konkrétní rozteč a šířku, aby splňoval požadavky na impedanci 90 ω. Obrázek 2 ukazuje mírně hustší desku s obvody, která má šest vrstev a vyžaduje sestavu BGA (ball grid array), která vyžaduje jemnější zapojení.

Jak vypočítat šířku řádku PCB?

Pojďme si projít proces výpočtu určité šířky stopy pro napájecí signál, který přenáší proud z výkonové komponenty do periferního zařízení. V tomto příkladu vypočítáme minimální šířku čáry silové cesty pro stejnosměrný motor. Napájecí cesta začíná na pojistce, protíná H-můstek (součást sloužící ke správě přenosu energie přes vinutí stejnosměrného motoru) a končí na konektoru motoru. Průměrný trvalý maximální proud požadovaný stejnosměrným motorem je asi 2 ampéry.

Nyní zapojení PCB funguje jako odpor a čím delší a užší zapojení, tím větší odpor. Pokud není kabeláž definována správně, vysoký proud může poškodit kabeláž a/nebo způsobit výrazný pokles napětí v motoru (což má za následek snížení rychlosti). NetC21_2 zobrazený na obrázku 3 je asi 0.8 palce dlouhý a potřebuje nést maximální proud 2 ampéry. Pokud předpokládáme nějaké obecné podmínky, například 1 unci lití mědi a pokojovou teplotu během normálního provozu, musíme vypočítat minimální šířku čáry a očekávaný pokles tlaku při této šířce.

Jak vypočítat odpor vedení PCB?

Pro trasovací oblast se používá následující rovnice:

Oblast [Mils ²] = (aktuální [A] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), která následuje po kritériu vnější vrstvy IPC (nebo horní / dolní), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Všimněte si, že jediná proměnná, kterou opravdu potřebujeme vložit, je aktuální.

Použití této oblasti v následující rovnici nám poskytne potřebnou šířku, která nám řekne šířku čáry potřebnou k přenosu proudu bez jakýchkoli potenciálních problémů:

Šířka [Mils] = plocha [Mils ^ 2] / (tloušťka [oz] * 1.378 [mils / oz]), kde 1.378 souvisí se standardní tloušťkou lití 1 oz.

Vložením 2 ampérů proudu do výše uvedeného výpočtu získáme minimálně 30 mils vedení.

Ale to nám neříká, jaký bude pokles napětí. To je více zapojeno, protože je třeba vypočítat odpor drátu, což lze provést podle vzorce uvedeného na obrázku 4.

V tomto vzorci ρ = ​​měrný odpor mědi, α = teplotní koeficient mědi, T = tloušťka stopy, W = šířka stopy, L = délka stopy, T = teplota. Pokud jsou všechny relevantní hodnoty vloženy do 0.8 “délky o šířce 30 mil, zjistíme, že odpor vedení je asi 0.03? A snižuje napětí asi o 26 mV, což je pro tuto aplikaci v pořádku. Je užitečné vědět, co ovlivňuje tyto hodnoty.

Rozteč a délka kabelů desky plošných spojů

U digitálních návrhů s vysokorychlostní komunikací mohou být vyžadovány specifické rozteče a upravené délky, aby se minimalizovalo přeslechy, spojky a odrazy. Za tímto účelem jsou některými běžnými aplikacemi sériové diferenciální signály na bázi USB a paralelní diferenciální signály založené na paměti RAM. USB 2.0 obvykle vyžaduje diferenciální směrování 480 Mbit/s (vysokorychlostní třída USB) nebo vyšší. Je to částečně proto, že vysokorychlostní USB obvykle pracuje s mnohem nižším napětím a rozdíly, čímž se celková úroveň signálu blíží šumu pozadí.

Při směrování vysokorychlostních kabelů USB je třeba vzít v úvahu tři důležité věci: šířku vodiče, rozteč vodičů a délku kabelu.

To vše je důležité, ale nejkritičtější ze všech tří je zajistit, aby se délky dvou linií shodovaly co nejvíce. Obecně platí, že pokud se délky kabelů navzájem liší ne více než 50 mil (pro vysokorychlostní USB), výrazně to zvyšuje riziko odrazu, což může mít za následek špatnou komunikaci. Impedance přizpůsobení 90 ohmů je obecnou specifikací pro zapojení diferenciálních párů. K dosažení tohoto cíle by mělo být směrování optimalizováno na šířku a mezery.

Obrázek 5 ukazuje příklad diferenciálního páru pro připojení vysokorychlostních rozhraní USB, který obsahuje 12 mil široké zapojení v intervalech 15 mil.

Rozhraní pro paměťové komponenty, které obsahují paralelní rozhraní (například DDR3-SDRAM), budou z hlediska délky vodičů omezenější. Většina špičkového softwaru pro návrh desek plošných spojů bude mít možnosti nastavení délky, které optimalizují délku linky tak, aby odpovídala všem relevantním signálům v paralelní sběrnici. Obrázek 6 ukazuje příklad uspořádání DDR3 s kabeláží pro nastavení délky.

Stopy a roviny zemní výplně

Některé aplikace s komponentami citlivými na hluk, jako jsou bezdrátové čipy nebo antény, mohou vyžadovat trochu větší ochrany. Navrhování kabeláže a letadel s integrovanými uzemňovacími otvory může výrazně pomoci minimalizovat propojení blízkých kabelů nebo vychystávání letadel a signálů mimo palubu, které se plazí po okrajích desky.

Obrázek 7 ukazuje příklad modulu Bluetooth umístěného poblíž okraje desky s anténou (pomocí tištěného označení „ANT“ na obrazovce) mimo tlustou čáru obsahující vložené průchozí otvory připojené k formaci země. To pomáhá izolovat anténu od ostatních palubních obvodů a letadel.

Tento alternativní způsob směrování po zemi (v tomto případě polygonální rovina) může být použit k ochraně obvodu desky před externími off-board bezdrátovými signály. Obrázek 8 ukazuje desku plošných spojů citlivou na hluk s uzemněnou rovinou zapuštěnou skrz díru podél obvodu desky.

Osvědčené postupy pro zapojení desek plošných spojů

Charakteristiky zapojení pole PCB určuje mnoho faktorů, takže při zapojování dalšího PCB dodržujte osvědčené postupy a najdete rovnováhu mezi výrobními náklady na PCB, hustotou obvodů a celkovým výkonem.