Mikä on viivan leveys?

Aloitetaan perusteista. Mikä on jäljen leveys tarkalleen? Miksi on tärkeää määrittää tietty jäljen leveys? Tavoitteena PCB Johdotus on kytkeä kaikenlainen sähköinen signaali (analoginen, digitaalinen tai virtalähde) solmusta toiseen.

Solmu voi olla komponentin tappi, suuremman jäljen tai tason haara tai tyhjä tyyny tai testauspiste koettamista varten. Jälkien leveydet mitataan yleensä milliä tai tuhansia tuumaa. Tavallisten signaalien vakiokaapelileveydet (ei erityisvaatimuksia) voivat olla useiden tuumien pituisia 7-12 millin alueella, mutta monia tekijöitä on otettava huomioon johdotuksen leveyttä ja pituutta määritettäessä.

Sovellus ohjaa tyypillisesti johdotuksen leveyttä ja johdotustyyppiä PCB -suunnittelussa, ja jossain vaiheessa se yleensä tasapainottaa piirilevyjen valmistuskustannukset, levyn tiheys/koko ja suorituskyky. Jos levyllä on erityisiä suunnitteluvaatimuksia, kuten nopeuden optimointi, kohina tai kytkimen vaimennus tai korkea virta/jännite, jäljen leveys ja tyyppi voivat olla tärkeämpiä kuin paljaan piirilevyn valmistuskustannusten tai koko levyn koon optimointi.

Piirilevyjen valmistuksen johdotusta koskevat eritelmät

Tyypillisesti seuraavat johdotukseen liittyvät eritelmät alkavat nostaa paljaiden PCBS -levyjen valmistuskustannuksia.

Tiukempien PCB-toleranssien ja PCBS: n valmistuksessa, tarkastuksessa tai testauksessa tarvittavien huippulaitteiden ansiosta kustannukset nousevat melko korkeiksi:

L Jäljen leveys alle 5 mil (0.005 tuumaa)

L Jälkiväli alle 5 mil

L Läpiviennit, joiden halkaisija on alle 8 mil

L Jäljen paksuus on enintään 1 unssia (1.4 milliä)

L Differentiaalipari ja säädetty pituus tai johdotusimpedanssi

Suuritiheyksiset mallit, joissa yhdistyvät PCB-tilankäyttö, kuten hyvin hienoksi sijoitetut BGA- tai suuren signaalimäärän rinnakkaisväylät, voivat vaatia 2.5 mil linjan leveyden sekä erityyppisiä läpireikiä, joiden halkaisija on enintään 6 mil laserporattuina mikrorei’inä. Toisaalta jotkut suuritehoiset mallit voivat vaatia erittäin suuria johdotuksia tai tasoja, jotka kuluttavat kokonaisia ​​kerroksia ja kaatavat unssia, jotka ovat paksumpia kuin normaalit. Tilarajoitetuissa sovelluksissa voidaan tarvita hyvin ohuita levyjä, jotka sisältävät useita kerroksia ja rajoitettu kuparivalun paksuus on puoli unssia (0.7 mil paksuus).

Muissa tapauksissa suunnittelut nopeaa tiedonsiirtoa varten oheislaitteesta toiseen voivat vaatia johdotusta, jolla on säädetty impedanssi ja tietyt leveydet ja etäisyys toistensa välillä heijastumisen ja induktiivisen kytkennän minimoimiseksi. Tai malli voi vaatia tietyn pituuden vastaamaan muita väylän asiaankuuluvia signaaleja. Suurjännitesovellukset edellyttävät tiettyjä turvaominaisuuksia, kuten kahden paljastetun differentiaalisignaalin välisen etäisyyden minimointi valokaaren estämiseksi. Ominaisuuksista tai ominaisuuksista riippumatta määritelmien jäljittäminen on tärkeää, joten tutkitaan erilaisia ​​sovelluksia.

Erilaisia ​​johtimien leveyksiä ja paksuuksia

PCBS sisältää tyypillisesti erilaisia ​​viivaleveyksiä, koska ne riippuvat signaalivaatimuksista (katso kuva 1). Näytetyt hienommat jäljet ​​ovat yleiskäyttöisiä TTL (transistori-transistorilogiikka) -tason signaaleja, eikä niillä ole erityisvaatimuksia korkealle virralle tai melulle.

Nämä ovat levyn yleisimmät johdotustyypit.

Paksummat johdotukset on optimoitu virrankulutuskapasiteettia varten, ja niitä voidaan käyttää oheislaitteisiin tai tehoon liittyviin toimintoihin, jotka vaativat suurempaa tehoa, kuten puhaltimiin, moottoreihin ja säännöllisiin voimansiirtoihin alemman tason komponentteihin. Kuvan vasemmassa yläkulmassa näkyy jopa differentiaalisignaali (nopea USB), joka määrittää tietyn etäisyyden ja leveyden 90 imp: n impedanssivaatimusten täyttämiseksi. Kuva 2 esittää hieman tiheämpää piirilevyä, jossa on kuusi kerrosta ja joka vaatii BGA (ball grid array) -kokoonpanon, joka vaatii hienompaa johdotusta.

Kuinka laskea piirilevyn leveys?

Käydään läpi prosessi, jolla lasketaan tietty jäljen leveys tehosignaalille, joka siirtää virran tehokomponentista oheislaitteeseen. Tässä esimerkissä laskemme tasavirtamoottorin tehoradan vähimmäislinjan leveyden. Tehorata alkaa sulakkeesta, ylittää H-sillan (komponentin, jota käytetään voimansiirron hallintaan tasavirtamoottorin käämien yli) ja päättyy moottorin liittimeen. Tasavirtamoottorin vaatima keskimääräinen jatkuva maksimivirta on noin 2 ampeeria.

Nyt piirilevyjohdot toimivat vastuksena, ja mitä pidempi ja kapeampi johdotus, sitä enemmän vastusta lisätään. Jos johdotusta ei ole määritelty oikein, suuri virta voi vaurioittaa johdotusta ja/tai aiheuttaa moottoriin merkittävän jännitehäviön (mikä johtaa nopeuden laskuun). Kuvassa 21 esitetty NetC2_3 on noin 0.8 tuumaa pitkä ja sen on kuljettava enintään 2 ampeerin virtaa. Jos oletamme joitain yleisiä olosuhteita, kuten 1 unssia kuparin kaatamista ja huonelämpötilaa normaalikäytön aikana, meidän on laskettava vähimmäislinjan leveys ja odotettu painehäviö tällä leveydellä.

Kuinka laskea piirilevyn johdotusvastus?

Jäljitysalueelle käytetään seuraavaa yhtälöä:

Alue [Mils ²] = (nykyinen [Ampeeri] / (K * (Lämpötilan nousu [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), joka noudattaa IPC: n ulkokerroksen (tai ylimmän / alemman) kriteeriä, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Huomaa, että ainoa muuttuja, joka meidän on todella lisättävä, on nykyinen.

Tämän alueen käyttäminen seuraavassa yhtälössä antaa meille tarvittavan leveyden, joka kertoo virran kantamiseksi tarvittavan linjan leveyden ilman mahdollisia ongelmia:

Leveys [Mils] = pinta -ala [Mils ^ 2] / (paksuus [oz] * 1.378 [mils / oz]), jossa 1.378 liittyy standardiin 1 oz: n kaatopaksuuteen.

Lisäämällä 2 ampeeria virtaa yllä olevaan laskelmaan saamme vähintään 30 mil johdot.

Mutta se ei kerro meille, mikä jännitehäviö tulee olemaan. Tämä liittyy enemmän, koska sen on laskettava langan vastus, joka voidaan tehdä kuviossa 4 esitetyn kaavan mukaisesti.

Tässä kaavassa ρ = kuparin resistiivisyys, α = kuparin lämpötilakerroin, T = jäljen paksuus, W = jäljen leveys, L = jäljen pituus, T = lämpötila. Jos kaikki asiaankuuluvat arvot lisätään 0.8 tuuman pituuteen 30 millin leveyteen, havaitsemme, että johdotusvastus on noin 0.03? Ja se alentaa jännitettä noin 26 mV, mikä sopii tähän sovellukseen. On hyödyllistä tietää, mikä vaikuttaa näihin arvoihin.

PCB -kaapelien etäisyys ja pituus

Digitaalisissa malleissa, joissa on nopea tiedonsiirto, erityiset etäisyydet ja säädetyt pituudet voivat olla tarpeen ylikuulumisen, kytkennän ja heijastumisen minimoimiseksi. Tätä tarkoitusta varten jotkin yleiset sovellukset ovat USB-pohjaisia ​​sarjaerosignaaleja ja RAM-pohjaisia ​​rinnakkaisia ​​differentiaalisignaaleja. Yleensä USB 2.0 vaatii differentiaalireitityksen nopeudella 480 Mbit/s (USB -nopeusluokka) tai nopeampi. Tämä johtuu osittain siitä, että nopea USB toimii tyypillisesti paljon pienemmillä jännitteillä ja eroilla, mikä tuo signaalin yleisen tason lähemmäksi taustamelua.

Nopeita USB-kaapeleita reititettäessä on otettava huomioon kolme tärkeää asiaa: johdon leveys, johdinväli ja kaapelin pituus.

Kaikki nämä ovat tärkeitä, mutta kriittisin näistä kolmesta on varmistaa, että kahden rivin pituudet vastaavat mahdollisimman paljon. Nyrkkisääntönä on, että jos kaapeleiden pituudet eroavat toisistaan ​​enintään 50 millillä (nopea USB), tämä lisää merkittävästi heijastumisriskiä, ​​mikä voi johtaa huonoon tiedonsiirtoon. 90 ohmin sovitusimpedanssi on yleinen eritelmä differentiaaliparijohdotukselle. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi reititys on optimoitava leveydeltään ja etäisyydeltään.

Kuvassa 5 on esimerkki differentiaaliparista nopeiden USB-liitäntöjen kytkemiseksi, joka sisältää 12 miljoonaa leveää johdotusta 15 miljoonan välein.

Rinnakkaisliitäntöjä (kuten DDR3-SDRAM) sisältävien muistipohjaisten komponenttien rajapinnat rajoittavat johdon pituutta. Useimmissa huippuluokan piirilevyjen suunnitteluohjelmistoissa on pituuden säätömahdollisuudet, jotka optimoivat linjan pituuden vastaamaan kaikkia rinnakkaisväylän asiaankuuluvia signaaleja. Kuvassa 6 on esimerkki DDR3 -asettelusta, jossa on pituuden säätöjohdot.

Maatäytön jälkiä ja tasoja

Jotkin sovellukset, joissa on meluherkkiä komponentteja, kuten langattomat sirut tai antennit, saattavat vaatia hieman lisäsuojaa. Johdotusten ja koneiden suunnittelu, joissa on upotetut maareiät, voi suuresti auttaa minimoimaan lähellä olevien johdotusten tai tason poimimisen ja levyn reunoihin ryömivien signaalien kytkennän.

Kuva 7 esittää esimerkin Bluetooth-moduulista, joka on sijoitettu lähelle levyn reunaa ja jonka antenni on (ANT-merkinnällä varustetun näytön kautta) paksun viivan ulkopuolella, joka sisältää upotettuja läpivientireikiä, jotka on liitetty maahan. Tämä auttaa eristämään antennin muista piiristä ja lentokoneista.

Tätä vaihtoehtoista tapaa reitittää maan läpi (tässä tapauksessa monikulmioinen taso) voidaan käyttää suojaamaan piirilevy ulkoisilta langattomilta signaaleilta. Kuvio 8 esittää meluherkkää piirilevyä, jossa on maadoitettu läpireikäinen upotettu taso levyn kehää pitkin.

PCB -johdotuksen parhaat käytännöt

Monet tekijät määräävät piirilevykentän johdotusominaisuudet, joten muista noudattaa parhaita käytäntöjä seuraavan piirilevyn johdotuksessa, ja löydät tasapainon piirilevyjen kustannusten, piirin tiheyden ja yleisen suorituskyvyn välillä.