اهمیت عرض خط PCB در طراحی PCB

عرض خط چیست؟

بیایید با اصول شروع کنیم. عرض ردیابی دقیقاً چیست؟ چرا تعیین عرض ردیابی خاص مهم است؟ هدف از PCB سیم کشی عبارت است از اتصال هر نوع سیگنال الکتریکی (آنالوگ ، دیجیتال یا قدرت) از یک گره به گره دیگر.

یک گره می تواند یک پین از یک جزء ، یک شاخه از یک اثر یا صفحه بزرگتر ، یا یک پد خالی یا نقطه آزمایش برای کاوش باشد. عرض ردیابی معمولاً بر حسب میل یا هزاران اینچ اندازه گیری می شود. عرض سیم کشی استاندارد برای سیگنالهای معمولی (بدون نیاز به شرایط خاص) ممکن است در محدوده 7 تا 12 میلیمتر چندین اینچ طول داشته باشد ، اما هنگام تعیین عرض و طول سیم کشی باید عوامل زیادی را در نظر گرفت.

ipcb

این برنامه معمولاً عرض سیم کشی و نوع سیم کشی را در طراحی PCB هدایت می کند و در برخی موارد معمولاً هزینه تولید ، تراکم/اندازه برد و عملکرد برد مدار چاپی را متعادل می کند. اگر تخته دارای الزامات طراحی خاصی مانند بهینه سازی سرعت ، سر و صدا یا سرکوب اتصال ، یا جریان/ولتاژ بالا باشد ، عرض و نوع ردیابی ممکن است مهمتر از بهینه سازی هزینه تولید PCB برهنه یا اندازه کلی برد باشد.

مشخصات مربوط به سیم کشی در تولید PCB

به طور معمول ، مشخصات زیر مربوط به سیم کشی هزینه تولید PCBS برهنه را افزایش می دهد.

به دلیل تحمل سخت تر PCB و تجهیزات پیشرفته مورد نیاز برای ساخت ، بازرسی یا آزمایش PCBS ، هزینه ها بسیار بالا می رود:

L عرض ردیابی کمتر از 5 میلیون (0.005 اینچ)

L فاصله فاصله کمتر از 5 میل

L از سوراخ هایی با قطر کمتر از 8 میلیون

L ضخامت ردیابی کمتر یا مساوی 1 اونس (برابر 1.4 میل)

L جفت دیفرانسیل و طول کنترل شده یا امپدانس سیم کشی

طرح های با چگالی بالا که فضای PCB را ترکیب می کنند ، مانند BGA با فاصله بسیار زیاد یا گذرگاه های موازی با تعداد سیگنال زیاد ، ممکن است به عرض خط 2.5 میلی متر و همچنین انواع خاصی از سوراخ ها با قطر حداکثر 6 میلیون نیاز داشته باشند. به عنوان سوراخ های ریزمغز با لیزر. برعکس ، برخی از طرح های پرقدرت ممکن است نیاز به سیم کشی یا هواپیماهای بسیار بزرگ داشته باشند ، که لایه های کل را مصرف کرده و اونس هایی را ضخیم تر از استاندارد کنند. در کاربردهای محدود فضا ، صفحات بسیار نازک حاوی چندین لایه و ضخامت ریخته گری مس محدود به نصف اونس (ضخامت 0.7 میلیون) ممکن است مورد نیاز باشد.

در موارد دیگر ، طراحی ارتباطات با سرعت بالا از یک دستگاه جانبی به دیگری ممکن است نیاز به سیم کشی با امپدانس کنترل شده و عرض و فاصله بین یکدیگر داشته باشد تا بازتاب و اتصال القایی به حداقل برسد. یا ممکن است طراحی به طول خاصی نیاز داشته باشد تا با سایر سیگنال های مربوط در گذرگاه مطابقت داشته باشد. کاربردهای ولتاژ بالا به ویژگی های ایمنی خاصی نیاز دارند ، مانند به حداقل رساندن فاصله بین دو سیگنال دیفرانسیل در معرض جهت جلوگیری از ایجاد قوس. صرف نظر از ویژگی ها یا ویژگی ها ، ردیابی تعاریف مهم است ، بنابراین بیایید برنامه های مختلف را بررسی کنیم.

عرض و ضخامت سیم کشی های مختلف

PCBS به طور معمول دارای انواع خطوط مختلف است ، زیرا به نیازهای سیگنال بستگی دارد (شکل 1 را ببینید). آثار ریزتر نشان داده شده برای سیگنال های سطح عمومی TTL (منطق ترانزیستور-ترانزیستور) هستند و هیچ الزامات خاصی برای حفاظت از جریان یا نویز بالا ندارند.

اینها رایج ترین انواع سیم کشی روی برد خواهند بود.

سیم کشی ضخیم برای ظرفیت حمل فعلی بهینه شده است و می تواند برای لوازم جانبی یا عملکردهای مرتبط با قدرت که نیاز به قدرت بیشتری دارند ، مانند فن ها ، موتورها و انتقال قدرت منظم به اجزای سطح پایین استفاده شود. قسمت چپ بالای تصویر حتی یک سیگنال دیفرانسیل (USB با سرعت بالا) را نشان می دهد که فاصله و عرض خاصی را برای برآوردن الزامات امپدانس 90 ω تعریف می کند. شکل 2 یک برد مدار کمی متراکم تر را نشان می دهد که دارای شش لایه است و نیاز به یک مجموعه BGA (آرایه شبکه توپ) دارد که نیاز به سیم کشی دقیق تری دارد.

چگونه می توان عرض خط PCB را محاسبه کرد؟

بیایید فرایند محاسبه عرض کمی برای یک سیگنال قدرت را که جریان را از یک جزء قدرت به یک دستگاه جانبی منتقل می کند ، طی کنیم. در این مثال ، ما حداقل عرض خط مسیر قدرت برای موتور DC را محاسبه می کنیم. مسیر تغذیه از فیوز شروع می شود ، از پل H (قطعه ای که برای مدیریت انتقال نیرو در سیم پیچ های موتور DC استفاده می شود) می گذرد و در اتصال موتور خاتمه می یابد. متوسط ​​حداکثر جریان پیوسته مورد نیاز موتور DC حدود 2 آمپر است.

در حال حاضر ، سیم کشی PCB به عنوان یک مقاومت عمل می کند و هرچه سیم کشی طولانی تر و باریک تر باشد ، مقاومت بیشتری اضافه می شود. اگر سیم کشی به درستی تعریف نشده باشد ، جریان زیاد ممکن است به سیم کشی آسیب برساند و/یا باعث افت شدید ولتاژ به موتور شود (در نتیجه سرعت آن کاهش می یابد). NetC21_2 نشان داده شده در شکل 3 حدود 0.8 اینچ طول دارد و باید حداکثر جریان 2 آمپر را حمل کند. اگر برخی شرایط عمومی مانند 1 اونس ریختن مس و دمای اتاق را در حین کار عادی فرض کنیم ، باید حداقل عرض خط و افت فشار مورد انتظار در آن عرض را محاسبه کنیم.

چگونه می توان مقاومت سیم کشی PCB را محاسبه کرد؟

معادله زیر برای ناحیه ردیابی استفاده می شود:

منطقه [Mils ²] = (جریان [آمپر] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C) ، که از معیار لایه IPC بیرونی (یا بالا / پایین) پیروی می کند ، k = 0.048 ، b = 0.44 ، C = 0.725. توجه داشته باشید که تنها متغیری که واقعاً باید وارد کنیم جریان است.

استفاده از این ناحیه در معادله زیر عرض لازم را به ما می دهد که عرض خط مورد نیاز برای حمل جریان را بدون هیچ گونه مشکل احتمالی به ما می گوید:

عرض [Mils] = مساحت [Mils ^ 2] / (ضخامت [oz] * 1.378 [mils / oz]) ، جایی که 1.378 مربوط به ضخامت استاندارد ریختن 1 اونس است.

با قرار دادن 2 آمپر جریان در محاسبه فوق ، حداقل 30 میلی متر سیم کشی دریافت می کنیم.

اما این به ما نمی گوید که افت ولتاژ چه خواهد بود. این بیشتر درگیر است زیرا باید مقاومت سیم را محاسبه کند ، که می تواند مطابق فرمول نشان داده شده در شکل 4 انجام شود.

در این فرمول ، ρ = مقاومت مس ، α = ضریب دمای مس ، T = ضخامت ردیابی ، W = عرض ردیابی ، L = طول اثر ، T = دما. اگر همه مقادیر مربوطه در طول 0.8 اینچ عرض 30 میلی لیتر وارد شوند ، متوجه می شویم که مقاومت سیم کشی حدود 0.03 است؟ ولتاژ را حدود 26mV کاهش می دهد ، که برای این برنامه مناسب است. مفید است بدانید چه چیزی بر این ارزشها تأثیر می گذارد.

فاصله و طول کابل PCB

برای طرح های دیجیتالی با ارتباطات با سرعت بالا ، فاصله و طول های تنظیم شده ممکن است برای به حداقل رساندن تقابل ، اتصال و بازتاب مورد نیاز باشد. برای این منظور ، برخی از برنامه های رایج سیگنال های دیفرانسیل سریال مبتنی بر USB و سیگنال های دیفرانسیل موازی مبتنی بر RAM است. به طور معمول ، USB 2.0 به مسیریابی دیفرانسیل با سرعت 480 مگابیت بر ثانیه (کلاس USB با سرعت بالا) یا بالاتر نیاز دارد. این تا حدی به این دلیل است که USB پرسرعت معمولاً با ولتاژها و تفاوت های بسیار پایین کار می کند و سطح کلی سیگنال را به نویز پس زمینه نزدیک می کند.

هنگام مسیریابی کابل های USB پرسرعت ، سه نکته مهم را باید در نظر گرفت: عرض سیم ، فاصله سربی و طول کابل.

همه اینها مهم هستند ، اما مهمترین آنها این است که مطمئن شوید طول دو خط تا حد ممکن مطابقت دارد. به عنوان یک قاعده کلی ، اگر طول کابل ها بیش از 50 میلی متر با یکدیگر متفاوت نباشد (برای USB با سرعت بالا) ، این امر خطر انعکاس را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد ، که ممکن است منجر به ارتباط ضعیف شود. امپدانس تطبیق 90 اهم یک مشخصات کلی برای سیم کشی دیفرانسیل است. برای دستیابی به این هدف ، مسیریابی باید از نظر عرض و فاصله بهینه شود.

شکل 5 نمونه ای از یک جفت دیفرانسیل برای سیم کشی رابط های USB پرسرعت را نشان می دهد که دارای سیم کشی با عرض 12 میلیون در فواصل 15 میلیون است.

رابطهای اجزای مبتنی بر حافظه که دارای رابطهای موازی هستند (مانند DDR3-SDRAM) از نظر طول سیم محدودتر خواهند بود. اکثر نرم افزارهای طراحی PCB سطح بالا دارای قابلیت تنظیم طول هستند که طول خط را برای مطابقت با تمام سیگنال های مربوطه در گذرگاه موازی بهینه می کند. شکل 6 نمونه ای از طرح بندی DDR3 با سیم کشی تنظیم طول را نشان می دهد.

آثار و سطوح پر شدن زمین

برخی از برنامه های کاربردی با قطعات حساس به نویز ، مانند تراشه های بی سیم یا آنتن ها ، ممکن است به کمی حفاظت بیشتر نیاز داشته باشند. طراحی سیم کشی و هواپیما با سوراخ های زمینی تعبیه شده می تواند تا حد زیادی به حداقل رساندن اتصال سیم کشی مجاور یا سیگنال های برداشت هواپیما و سیگنال های خارج از صفحه که به لبه های تخته می خزند کمک کند.

شکل 7 نمونه ای از یک ماژول بلوتوث را نشان می دهد که در نزدیکی لبه صفحه قرار گرفته است و آنتن آن (از طریق علامت های “ANT” روی صفحه چاپ شده است) خارج از یک خط ضخیم حاوی سوراخ های تعبیه شده متصل به تشکیلات زمین است. این به جدا سازی آنتن از مدارها و صفحات دیگر کمک می کند.

این روش جایگزین جهت یابی از طریق زمین (در این مورد یک صفحه چند ضلعی) می تواند برای محافظت از مدار از سیگنال های بی سیم خارج از برد استفاده شود. شکل 8 یک PCB حساس به سر و صدا با صفحه تعبیه شده در حفره در امتداد حاشیه تخته را نشان می دهد.

بهترین روشها برای سیم کشی PCB

عوامل زیادی ویژگی های سیم کشی میدان PCB را تعیین می کنند ، بنابراین هنگام سیم کشی PCB بعدی خود ، بهترین شیوه ها را رعایت کنید و بین هزینه ساخت مدار چاپی ، تراکم مدار و عملکرد کلی تعادل پیدا خواهید کرد.