Τι είναι το πλάτος γραμμής;

Ας ξεκινήσουμε με τα βασικά. Τι ακριβώς είναι το πλάτος ίχνους; Γιατί είναι σημαντικό να καθορίσετε ένα συγκεκριμένο πλάτος ίχνους; Ο σκοπός της PCB Η καλωδίωση είναι η σύνδεση κάθε είδους ηλεκτρικού σήματος (αναλογικό, ψηφιακό ή ισχύος) από τον έναν κόμβο στον άλλο.

Ένας κόμβος μπορεί να είναι ένας πείρος ενός στοιχείου, ένας κλάδος ενός μεγαλύτερου ίχνους ή επιπέδου ή ένα κενό μαξιλάρι ή σημείο δοκιμής για ανίχνευση. Τα πλάτη ίχνους συνήθως μετρώνται σε mils ή χιλιάδες ίντσες. Τα τυπικά πλάτη καλωδίωσης για συνηθισμένα σήματα (χωρίς ιδιαίτερες απαιτήσεις) ενδέχεται να έχουν μήκος αρκετές ίντσες στο εύρος 7-12 mils, αλλά πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλοί παράγοντες κατά τον καθορισμό του πλάτους και του μήκους της καλωδίωσης.

Η εφαρμογή καθορίζει συνήθως το πλάτος καλωδίωσης και τον τύπο καλωδίωσης στο σχεδιασμό PCB και, σε κάποιο σημείο, συνήθως εξισορροπεί το κόστος κατασκευής του PCB, την πυκνότητα/μέγεθος της πλακέτας και την απόδοση. Εάν ο πίνακας έχει συγκεκριμένες απαιτήσεις σχεδιασμού, όπως βελτιστοποίηση ταχύτητας, καταστολή θορύβου ή ζεύξης ή υψηλό ρεύμα/τάση, το πλάτος και ο τύπος του ίχνους μπορεί να είναι πιο σημαντικά από τη βελτιστοποίηση του κόστους κατασκευής ενός γυμνού PCB ή του συνολικού μεγέθους της πλακέτας.

Προδιαγραφές σχετικά με την καλωδίωση στην κατασκευή PCB

Συνήθως, οι ακόλουθες προδιαγραφές που σχετίζονται με την καλωδίωση αρχίζουν να αυξάνουν το κόστος κατασκευής γυμνού PCBS.

Λόγω αυστηρότερων ανοχών PCB και του εξοπλισμού υψηλών προδιαγραφών που απαιτείται για την κατασκευή, τον έλεγχο ή τη δοκιμή του PCBS, το κόστος γίνεται αρκετά υψηλό:

L Πλάτος ίχνους μικρότερο από 5 mil (0.005 in.)

L Απόσταση ίχνους μικρότερο από 5 mils

L Μέσα από τρύπες διαμέτρου μικρότερης των 8 mil

L Πάχος ίχνους μικρότερο ή ίσο με 1 ουγγιά (ίσο με 1.4 mils)

L Διαφορικό ζεύγος και ελεγχόμενο μήκος ή σύνθετη αντίσταση καλωδίωσης

Σχέδια υψηλής πυκνότητας που συνδυάζουν λήψη PCB, όπως πολύ λεπτό απομακρυσμένο BGA ή παράλληλοι δίαυλοι υψηλού αριθμού σημάτων, μπορεί να απαιτούν πλάτος γραμμής 2.5 mil, καθώς και ειδικούς τρύπες διαμέτρων με διάμετρο έως 6 mil, όπως ως τρύπες μικροδιαμέτρησης με λέιζερ. Αντίθετα, ορισμένα σχέδια υψηλής ισχύος μπορεί να απαιτούν πολύ μεγάλη καλωδίωση ή αεροπλάνα, καταναλώνοντας ολόκληρα στρώματα και χύνοντας ουγγιές που είναι παχύτερες από το κανονικό. Σε εφαρμογές με περιορισμένο χώρο, μπορεί να απαιτηθούν πολύ λεπτές πλάκες που περιέχουν πολλά στρώματα και ένα περιορισμένο πάχος χύτευσης χαλκού μισής ουγγιάς (πάχος 0.7 εκατ.).

Σε άλλες περιπτώσεις, τα σχέδια για επικοινωνία υψηλής ταχύτητας από το ένα περιφερειακό στο άλλο μπορεί να απαιτούν καλωδίωση με ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση και συγκεκριμένα πλάτη και απόσταση μεταξύ τους για να ελαχιστοποιηθεί η ανάκλαση και η επαγωγική σύζευξη. Or ο σχεδιασμός μπορεί να απαιτεί ένα ορισμένο μήκος για να ταιριάζει με άλλα σχετικά σήματα στο δίαυλο. Οι εφαρμογές υψηλής τάσης απαιτούν ορισμένα χαρακτηριστικά ασφαλείας, όπως ελαχιστοποίηση της απόστασης μεταξύ δύο εκτεθειμένων διαφορικών σημάτων για την αποφυγή τόξου. Ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά ή τα χαρακτηριστικά, η ανίχνευση ορισμών είναι σημαντική, οπότε ας εξερευνήσουμε διάφορες εφαρμογές.

Διάφορα πλάτη και πάχη καλωδίωσης

Το PCBS τυπικά περιέχει μια ποικιλία από πλάτη γραμμών, καθώς εξαρτώνται από τις απαιτήσεις σήματος (βλέπε σχήμα 1). Τα λεπτότερα ίχνη που παρουσιάζονται είναι για σήματα επιπέδου TTL γενικής χρήσης (λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ) και δεν έχουν ειδικές απαιτήσεις για προστασία υψηλού ρεύματος ή θορύβου.

Αυτοί θα είναι οι πιο συνηθισμένοι τύποι καλωδίωσης στον πίνακα.

Η παχύτερη καλωδίωση έχει βελτιστοποιηθεί για την τρέχουσα ικανότητα μεταφοράς και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περιφερειακά ή για συναφείς με την ισχύ λειτουργίες που απαιτούν υψηλότερη ισχύ, όπως ανεμιστήρες, κινητήρες και τακτικές μεταφορές ισχύος σε εξαρτήματα χαμηλότερου επιπέδου. Το επάνω αριστερό μέρος του σχήματος δείχνει ακόμη και ένα διαφορικό σήμα (υψηλής ταχύτητας USB) που ορίζει μια συγκεκριμένη απόσταση και πλάτος για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις σύνθετης αντίστασης 90 ω. Το σχήμα 2 δείχνει μια ελαφρώς πιο πυκνή πλακέτα κυκλώματος που έχει έξι στρώματα και απαιτεί ένα συγκρότημα BGA (συστοιχία πλέγματος μπάλας) που απαιτεί λεπτότερη καλωδίωση.

Πώς να υπολογίσετε το πλάτος γραμμής PCB;

Ας περάσουμε στη διαδικασία υπολογισμού ενός συγκεκριμένου πλάτους ίχνους για ένα σήμα ισχύος που μεταφέρει ρεύμα από ένα στοιχείο ισχύος σε μια περιφερειακή συσκευή. Σε αυτό το παράδειγμα, θα υπολογίσουμε το ελάχιστο πλάτος γραμμής της διαδρομής ισχύος για έναν κινητήρα DC. Η διαδρομή ισχύος ξεκινά από την ασφάλεια, διασχίζει τη γέφυρα Η (το στοιχείο που χρησιμοποιείται για τη διαχείριση της μετάδοσης ισχύος μέσω των περιελίξεων του κινητήρα DC) και τερματίζει στη σύνδεση του κινητήρα. Το μέσο συνεχές μέγιστο ρεύμα που απαιτείται από έναν κινητήρα DC είναι περίπου 2 αμπέρ.

Τώρα, η καλωδίωση PCB λειτουργεί ως αντίσταση και όσο μεγαλύτερη και στενότερη είναι η καλωδίωση, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση προστίθεται. Εάν η καλωδίωση δεν έχει οριστεί σωστά, το υψηλό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην καλωδίωση ή/και να προκαλέσει σημαντική πτώση τάσης στον κινητήρα (με αποτέλεσμα μειωμένη ταχύτητα). Το NetC21_2 που φαίνεται στο σχήμα 3 έχει μήκος περίπου 0.8 ίντσες και χρειάζεται να μεταφέρει μέγιστο ρεύμα 2 αμπέρ. Αν υποθέσουμε κάποιες γενικές συνθήκες, όπως 1 ουγγιά χύσης χαλκού και θερμοκρασία δωματίου κατά την κανονική λειτουργία, πρέπει να υπολογίσουμε το ελάχιστο πλάτος γραμμής και την αναμενόμενη πτώση πίεσης σε αυτό το πλάτος.

Πώς να υπολογίσετε την αντίσταση καλωδίωσης PCB;

Η ακόλουθη εξίσωση χρησιμοποιείται για την περιοχή ιχνών:

Περιοχή [Mils ²] = (τρέχον [Amps] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), το οποίο ακολουθεί το κριτήριο IPC εξωτερικού στρώματος (ή πάνω / κάτω), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Σημειώστε ότι η μόνη μεταβλητή που πραγματικά χρειαζόμαστε να εισαγάγουμε είναι η τρέχουσα.

Η χρήση αυτής της περιοχής στην ακόλουθη εξίσωση θα μας δώσει το απαραίτητο πλάτος που μας λέει το πλάτος γραμμής που απαιτείται για τη μεταφορά του ρεύματος χωρίς κανένα πιθανό πρόβλημα:

Πλάτος [Mils] = περιοχή [Mils ^ 2] / (πάχος [oz] * 1.378 [mils / oz]), όπου το 1.378 σχετίζεται με το τυπικό πάχος χύσης 1 oz.

Με την εισαγωγή 2 αμπέρ ρεύματος στον παραπάνω υπολογισμό, λαμβάνουμε τουλάχιστον 30 mils καλωδίωσης.

Αλλά αυτό δεν μας λέει ποια θα είναι η πτώση τάσης. Αυτό αφορά περισσότερο επειδή πρέπει να υπολογίσει την αντίσταση του σύρματος, η οποία μπορεί να γίνει σύμφωνα με τον τύπο που φαίνεται στο σχήμα 4.

Σε αυτόν τον τύπο, ρ = αντίσταση χαλκού, α = συντελεστής θερμοκρασίας χαλκού, Τ = πάχος ίχνους, W = πλάτος ίχνους, L = μήκος ίχνους, Τ = θερμοκρασία. Εάν όλες οι σχετικές τιμές εισαχθούν σε μήκος 0.8 “πλάτους 30mils, διαπιστώνουμε ότι η αντίσταση καλωδίωσης είναι περίπου 0.03; Και μειώνει την τάση κατά περίπου 26mV, κάτι που είναι καλό για αυτήν την εφαρμογή. Είναι χρήσιμο να γνωρίζετε τι επηρεάζει αυτές τις αξίες.

Απόσταση και μήκος καλωδίων PCB

Για ψηφιακά σχέδια με επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας, μπορεί να απαιτούνται συγκεκριμένες αποστάσεις και προσαρμοσμένα μήκη για την ελαχιστοποίηση της αντιπαράθεσης, της σύζευξης και της αντανάκλασης. Για το σκοπό αυτό, ορισμένες κοινές εφαρμογές είναι τα σειριακά διαφορικά σήματα που βασίζονται σε USB και τα παράλληλα διαφορικά σήματα που βασίζονται στη μνήμη RAM. Συνήθως, το USB 2.0 απαιτεί διαφορική δρομολόγηση με ταχύτητα 480Mbit/s (κλάση υψηλής ταχύτητας USB) ή υψηλότερη. Αυτό οφείλεται εν μέρει επειδή το USB υψηλής ταχύτητας συνήθως λειτουργεί σε πολύ χαμηλότερες τάσεις και διαφορές, φέρνοντας το συνολικό επίπεδο σήματος πιο κοντά στο θόρυβο στο παρασκήνιο.

Υπάρχουν τρία σημαντικά πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά τη δρομολόγηση καλωδίων USB υψηλής ταχύτητας: πλάτος σύρματος, απόσταση καλωδίου και μήκος καλωδίου.

Όλα αυτά είναι σημαντικά, αλλά το πιο κρίσιμο από τα τρία είναι να βεβαιωθείτε ότι τα μήκη των δύο γραμμών ταιριάζουν όσο το δυνατόν περισσότερο. Κατά γενικό κανόνα, εάν τα μήκη των καλωδίων διαφέρουν μεταξύ τους όχι περισσότερο από 50 mils (για USB υψηλής ταχύτητας), αυτό αυξάνει σημαντικά τον κίνδυνο αντανάκλασης, ο οποίος μπορεί να οδηγήσει σε κακή επικοινωνία. Η αντίσταση αντιστοίχισης 90 ohm είναι μια γενική προδιαγραφή για καλωδίωση διαφορικού ζεύγους. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, η δρομολόγηση πρέπει να βελτιστοποιηθεί σε πλάτος και απόσταση.

Το Σχήμα 5 δείχνει ένα παράδειγμα διαφορικού ζεύγους για καλωδίωση διεπαφών USB υψηλής ταχύτητας που περιέχει καλωδίωση πλάτους 12 mil σε διαστήματα 15 mil.

Οι διεπαφές για στοιχεία που βασίζονται στη μνήμη και περιέχουν παράλληλες διεπαφές (όπως το DDR3-SDRAM) θα είναι πιο περιορισμένες ως προς το μήκος του καλωδίου. Τα περισσότερα λογισμικά σχεδιασμού υψηλών προδιαγραφών PCB θα έχουν δυνατότητες προσαρμογής μήκους που βελτιστοποιούν το μήκος γραμμής ώστε να ταιριάζει με όλα τα σχετικά σήματα στον παράλληλο δίαυλο. Το σχήμα 6 δείχνει ένα παράδειγμα διάταξης DDR3 με καλωδίωση ρύθμισης μήκους.

Traχνη και επίπεδα γεμίσματος εδάφους

Ορισμένες εφαρμογές με εξαρτήματα ευαίσθητα στο θόρυβο, όπως ασύρματα τσιπ ή κεραίες, ενδέχεται να απαιτούν λίγη επιπλέον προστασία. Ο σχεδιασμός καλωδίωσης και αεροπλάνων με ενσωματωμένες οπές γείωσης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην ελαχιστοποίηση της σύζευξης των κοντινών καλωδίων ή επιλογής επιπέδου και σήματα εκτός σκάφους που σέρνονται στις άκρες του πίνακα.

Το Σχήμα 7 δείχνει ένα παράδειγμα μονάδας Bluetooth τοποθετημένο κοντά στην άκρη της πλάκας, με την κεραία της (μέσω της οθόνης που τυπώνεται με σήματα “ANT”) έξω από μια παχιά γραμμή που περιέχει ενσωματωμένες οπές που συνδέονται με το σχηματισμό γείωσης. Αυτό βοηθά στην απομόνωση της κεραίας από άλλα ενσωματωμένα κυκλώματα και επίπεδα.

Αυτή η εναλλακτική μέθοδος δρομολόγησης μέσω του εδάφους (σε αυτή την περίπτωση πολυγωνικό επίπεδο) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προστασία του κυκλώματος της πλακέτας από εξωτερικά ασύρματα σήματα εκτός πλακέτας. Το σχήμα 8 δείχνει ένα PCB ευαίσθητο στο θόρυβο με ένα γειωμένο διάτρητο ενσωματωμένο επίπεδο κατά μήκος της περιφέρειας της σανίδας.

Βέλτιστες πρακτικές για καλωδίωση PCB

Πολλοί παράγοντες καθορίζουν τα χαρακτηριστικά καλωδίωσης του πεδίου PCB, οπότε φροντίστε να ακολουθείτε τις βέλτιστες πρακτικές κατά την καλωδίωση του επόμενου PCB σας και θα βρείτε μια ισορροπία μεταξύ του κόστους κατασκευής PCB, της πυκνότητας κυκλώματος και της συνολικής απόδοσης.