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

Typically, the following specifications related to wiring begin to increase the cost of manufacturing bare PCB.

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 typically contain a variety of line widths, as they depend on signal requirements. 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). 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.

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. As a general rule of thumb, if the lengths of the cables differ from each other by no more than 50 mils, this significantly increases the risk of reflection, which may result in poor communication. 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.

Interfaces for memory-based components that contain parallel interfaces will be more constrained in terms of wire length. 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.

Figure 7 shows an example of a Bluetooth module placed near the edge of the plate, with its antenna outside a thick line containing embedded through-holes connected to the ground formation. To pomáhá izolovat anténu od ostatních palubních obvodů a letadel.

This alternative method of routing through the ground can be used to protect the board circuit from external off-board wireless signals. 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.