¿Qué es el ancho de línea?

Empecemos con lo básico. ¿Qué es exactamente el ancho de la traza? ¿Por qué es importante especificar un ancho de traza específico? El objetivo de la publicidad de PCB El cableado consiste en conectar cualquier tipo de señal eléctrica (analógica, digital o de potencia) de un nodo a otro.

Un nodo puede ser un pin de un componente, una rama de una traza o plano más grande, o una plataforma vacía o un punto de prueba para sondear. Los anchos de las trazas se miden generalmente en milésimas de pulgada o miles de pulgadas. Los anchos de cableado estándar para señales ordinarias (sin requisitos especiales) pueden ser de varias pulgadas de largo en el rango de 7-12 mils, pero se deben considerar muchos factores al definir el ancho y la longitud del cableado.

La aplicación generalmente controla el ancho y el tipo de cableado en el diseño de PCB y, en algún momento, generalmente equilibra el costo de fabricación de PCB, la densidad / tamaño de la placa y el rendimiento. Si la placa tiene requisitos de diseño específicos, como optimización de velocidad, supresión de ruido o acoplamiento, o alta corriente / voltaje, el ancho y el tipo de traza pueden ser más importantes que optimizar el costo de fabricación de una PCB desnuda o el tamaño total de la placa.

Especificación relativa al cableado en la fabricación de PCB

Por lo general, las siguientes especificaciones relacionadas con el cableado comienzan a aumentar el costo de fabricación de PCBS desnudos.

Debido a las tolerancias de PCB más estrictas y al equipo de alta gama requerido para la fabricación, inspección o prueba de PCBS, los costos se vuelven bastante altos:

L Ancho de trazo menor a 5 mil (0.005 pulg.)

L Trace espaciado de menos de 5 milésimas de pulgada

L Agujeros pasantes de menos de 8 mil de diámetro

L Traza de espesor menor o igual a 1 onza (igual a 1.4 milésimas de pulgada)

L Par diferencial y longitud controlada o impedancia de cableado

Los diseños de alta densidad que combinan la toma de espacio de la PCB, como BGA muy finamente espaciados o buses paralelos de alto conteo de señales, pueden requerir un ancho de línea de 2.5 mil, así como tipos especiales de orificios pasantes con diámetros de hasta 6 mil, como como microagujeros perforados con láser. Por el contrario, algunos diseños de alta potencia pueden requerir cableado o planos muy grandes, consumiendo capas enteras y vertiendo onzas más gruesas que las estándar. En aplicaciones con limitaciones de espacio, se pueden requerir placas muy delgadas que contengan varias capas y un espesor de fundición de cobre limitado de media onza (0.7 mil de espesor).

En otros casos, los diseños para la comunicación de alta velocidad de un periférico a otro pueden requerir cableado con impedancia controlada y anchos y espacios específicos entre sí para minimizar la reflexión y el acoplamiento inductivo. O el diseño puede requerir una cierta longitud para coincidir con otras señales relevantes en el bus. Las aplicaciones de alto voltaje requieren ciertas características de seguridad, como minimizar la distancia entre dos señales diferenciales expuestas para evitar la formación de arcos. Independientemente de las características o funciones, el rastreo de definiciones es importante, así que exploremos varias aplicaciones.

Varios anchos y espesores de cableado

Los PCBS suelen contener una variedad de anchos de línea, ya que dependen de los requisitos de la señal (consulte la Figura 1). Los trazos más finos que se muestran son para señales de nivel TTL (lógica de transistor-transistor) de propósito general y no tienen requisitos especiales para la protección de alta corriente o ruido.

Estos serán los tipos de cableado más comunes en la placa.

El cableado más grueso se ha optimizado para la capacidad de transporte de corriente y se puede usar para periféricos o funciones relacionadas con la energía que requieren mayor potencia, como ventiladores, motores y transferencias de energía regulares a componentes de nivel inferior. La parte superior izquierda de la figura incluso muestra una señal diferencial (USB de alta velocidad) que define un espaciado y un ancho específicos para cumplir con los requisitos de impedancia de 90 ω. La Figura 2 muestra una placa de circuito ligeramente más densa que tiene seis capas y requiere un ensamblaje BGA (matriz de rejilla de bolas) que requiere un cableado más fino.

¿Cómo calcular el ancho de la línea de PCB?

Veamos el proceso de calcular un determinado ancho de traza para una señal de potencia que transfiere corriente desde un componente de potencia a un dispositivo periférico. En este ejemplo, calcularemos el ancho de línea mínimo de la ruta de potencia para un motor de CC. La ruta de energía comienza en el fusible, cruza el puente en H (el componente utilizado para administrar la transmisión de energía a través de los devanados del motor de CC) y termina en el conector del motor. La corriente máxima continua promedio requerida por un motor de CC es de aproximadamente 2 amperios.

Ahora, el cableado de PCB actúa como una resistencia, y cuanto más largo y estrecho es el cableado, más resistencia se agrega. Si el cableado no está definido correctamente, la alta corriente puede dañar el cableado y / o causar una caída de voltaje significativa en el motor (lo que resulta en una velocidad reducida). El NetC21_2 que se muestra en la Figura 3 tiene aproximadamente 0.8 pulgadas de largo y debe transportar una corriente máxima de 2 amperios. Si asumimos algunas condiciones generales, como 1 onza de cobre vertido y temperatura ambiente durante el funcionamiento normal, necesitamos calcular el ancho de línea mínimo y la caída de presión esperada en ese ancho.

¿Cómo calcular la resistencia del cableado de PCB?

La siguiente ecuación se utiliza para el área de seguimiento:

Área [Mils ²] = (corriente [Amps] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), que sigue el criterio de la capa exterior (o superior / inferior) del IPC, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Tenga en cuenta que la única variable que realmente necesitamos insertar es actual.

El uso de esta región en la siguiente ecuación nos dará el ancho necesario que nos indica el ancho de línea necesario para transportar la corriente sin problemas potenciales:

Ancho [Mils] = área [Mils ^ 2] / (espesor [oz] * 1.378 [mils / oz]), donde 1.378 está relacionado con el espesor de vertido estándar de 1 oz.

Al insertar 2 amperios de corriente en el cálculo anterior, obtenemos un mínimo de 30 milésimas de pulgada de cableado.

Pero eso no nos dice cuál será la caída de voltaje. Esto es más complicado porque necesita calcular la resistencia del cable, lo que se puede hacer de acuerdo con la fórmula que se muestra en la Figura 4.

En esta fórmula, ρ = resistividad del cobre, α = coeficiente de temperatura del cobre, T = espesor de la traza, W = ancho de la traza, L = longitud de la traza, T = temperatura. Si todos los valores relevantes se insertan en una longitud de 0.8 ”de ancho de 30 milésimas de pulgada, encontramos que la resistencia del cableado es de aproximadamente 0.03? Y reduce el voltaje en aproximadamente 26 mV, lo cual está bien para esta aplicación. Es útil saber qué afecta estos valores.

Distancia y longitud de los cables de PCB

Para diseños digitales con comunicaciones de alta velocidad, es posible que se requiera un espaciado específico y longitudes ajustadas para minimizar la diafonía, el acoplamiento y la reflexión. Para este propósito, algunas aplicaciones comunes son las señales diferenciales en serie basadas en USB y las señales diferenciales en paralelo basadas en RAM. Normalmente, USB 2.0 requerirá un enrutamiento diferencial a 480 Mbit / s (clase USB de alta velocidad) o superior. Esto se debe en parte a que el USB de alta velocidad normalmente funciona con voltajes y diferencias mucho más bajas, lo que hace que el nivel general de la señal se acerque más al ruido de fondo.

Hay tres cosas importantes a considerar al enrutar cables USB de alta velocidad: ancho de cable, espacio entre conductores y longitud del cable.

Todos estos son importantes, pero el más crítico de los tres es asegurarse de que las longitudes de las dos líneas coincidan tanto como sea posible. Como regla general, si las longitudes de los cables difieren entre sí en no más de 50 milésimas de pulgada (para USB de alta velocidad), esto aumenta significativamente el riesgo de reflexión, lo que puede resultar en una mala comunicación. La impedancia de coincidencia de 90 ohmios es una especificación general para el cableado de par diferencial. Para lograr este objetivo, el enrutamiento debe optimizarse en ancho y espaciado.

La Figura 5 muestra un ejemplo de un par diferencial para cablear interfaces USB de alta velocidad que contiene cableado de 12 mil de ancho en intervalos de 15 mil.

Las interfaces para componentes basados ​​en memoria que contienen interfaces paralelas (como DDR3-SDRAM) estarán más restringidas en términos de longitud de cable. La mayoría del software de diseño de PCB de alta gama tendrá capacidades de ajuste de longitud que optimizan la longitud de la línea para que coincida con todas las señales relevantes en el bus paralelo. La Figura 6 muestra un ejemplo de un diseño DDR3 con cableado de ajuste de longitud.

Rastros y planos de relleno de suelos

Algunas aplicaciones con componentes sensibles al ruido, como antenas o chips inalámbricos, pueden requerir un poco de protección adicional. El diseño de cableado y planos con orificios de tierra incrustados puede ayudar en gran medida a minimizar el acoplamiento del cableado cercano o la captación de planos y las señales externas que se arrastran hacia los bordes de la placa.

La Figura 7 muestra un ejemplo de un módulo Bluetooth colocado cerca del borde de la placa, con su antena (a través de las marcas “ANT” impresas en pantalla) fuera de una línea gruesa que contiene orificios pasantes incrustados conectados a la formación del suelo. Esto ayuda a aislar la antena de otros circuitos y aviones a bordo.

Este método alternativo de enrutamiento a través del suelo (en este caso, un plano poligonal) se puede utilizar para proteger el circuito de la placa de las señales inalámbricas externas. La Figura 8 muestra una PCB sensible al ruido con un plano incrustado con un orificio pasante conectado a tierra a lo largo de la periferia de la placa.

Mejores prácticas para el cableado de PCB

Muchos factores determinan las características de cableado del campo de PCB, así que asegúrese de seguir las mejores prácticas al cablear su próxima PCB, y encontrará un equilibrio entre el costo de fabricación de PCB, la densidad del circuito y el rendimiento general.