A importancia do ancho da liña de PCB no deseño de PCB

Que é o ancho da liña?

Imos comezar co básico. Que é exactamente o ancho de traza? Por que é importante especificar un ancho de traza específico? O propósito de PCB o cableado consiste en conectar calquera tipo de sinal eléctrico (analóxico, dixital ou de enerxía) dun nodo a outro.

Un nodo pode ser un alfinete dun compoñente, unha rama dun trazo ou avión máis grande ou unha almofada baleira ou punto de proba para sondar. Os anchos de traza adóitanse medir en mils ou miles de polgadas. Os anchos de cableado estándar para sinais comúns (sen requisitos especiais) poden ter unha lonxitude de varias polgadas no intervalo de 7-12 mils, pero hai que ter en conta moitos factores á hora de definir o ancho e a lonxitude do cableado.

ipcb

A aplicación normalmente dirixe o ancho e o tipo de cableado no deseño de PCB e, nalgún momento, normalmente equilibra o custo de fabricación de PCB, a densidade / tamaño da tarxeta e o rendemento. Se a placa ten requisitos específicos de deseño, como a optimización de velocidade, supresión de ruído ou acoplamento ou alta tensión / corrente, o ancho e o tipo de traza poden ser máis importantes que optimizar o custo de fabricación dun PCB espido ou o tamaño total da placa.

Especificación relativa ao cableado na fabricación de PCB

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

Os deseños de alta densidade que combinan a toma de espazo de PCB, como BGA moi finamente espaciado ou autobuses paralelos con gran número de sinais, poden requirir un ancho de liña de 2.5 mil, así como tipos especiais de orificios pasantes con diámetros de ata 6 mil. como buratos de microtranque perforados por láser. Pola contra, algúns deseños de alta potencia poden requirir cableado ou planos moi grandes, consumindo capas enteiras e vertendo onzas máis grosas do estándar. Nas aplicacións con espazo restrinxido poden ser necesarias placas moi finas que conteñan varias capas e un espesor de fundición de cobre limitado de media onza (0.7 mil de espesor).

Noutros casos, os deseños para a comunicación de alta velocidade dun periférico a outro poden requirir cableado con impedancia controlada e anchos específicos e espaciado entre si para minimizar a reflexión e o acoplamento indutivo. Ou o deseño pode requirir unha certa lonxitude para que coincida con outros sinais relevantes no autobús. As aplicacións de alta tensión requiren certas características de seguridade, como minimizar a distancia entre dous sinais diferenciais expostos para evitar o arco. Independentemente das características ou características, o seguimento das definicións é importante, entón exploremos varias aplicacións.

Varios anchos e grosores de cableado

PCBS typically contain a variety of line widths, as they depend on signal requirements. Os rastros máis finos amosados ​​son para sinais de nivel TTL de uso xeral (lóxica transistor-transistor) e non teñen requisitos especiais para a protección contra altas correntes ou contra o ruído.

Estes serán os tipos de cableado máis comúns na placa.

O cableado máis groso optimizouse para a capacidade de carga actual e pódese usar para periféricos ou funcións relacionadas coa enerxía que requiren maior potencia, como ventiladores, motores e transferencias regulares de enerxía a compoñentes de nivel inferior. A parte superior esquerda da figura mostra incluso un sinal diferencial (USB de alta velocidade) que define un espazo e ancho específicos para cumprir os requisitos de impedancia de 90 ω. A figura 2 mostra unha placa de circuíto lixeiramente máis densa que ten seis capas e require un conxunto BGA (array de cuadrícula de bolas) que require un cableado máis fino.

Como calcular o ancho da liña PCB?

Pasemos polo proceso de cálculo dun certo ancho de traza para un sinal de potencia que transfira corrente dun compoñente de potencia a un dispositivo periférico. Neste exemplo, calcularemos o ancho de liña mínimo do camiño de potencia para un motor de corrente continua. A ruta de alimentación comeza no fusible, cruza a ponte H (o compoñente usado para xestionar a transmisión de enerxía a través dos devanados do motor de corrente continua) e remata no conector do motor. A corrente máxima continua media requirida por un motor de corrente continua é duns 2 amperios.

Agora, o cableado de PCB actúa como unha resistencia e, canto máis longo e estreito é o cableado, máis resistencia engádese. Se o cableado non está definido correctamente, a alta corrente pode danar o cableado e / ou provocar unha caída de tensión importante no motor (o que resulta en velocidade reducida). Se asumimos algunhas condicións xerais, como 1 onza de vertedura de cobre e temperatura ambiente durante o funcionamento normal, necesitamos calcular o ancho mínimo da liña e a caída de presión esperada nese ancho.

Distancia e lonxitude dos cables do PCB

Para deseños dixitais con comunicacións de alta velocidade, pode ser necesario un espazamento específico e lonxitudes axustadas para minimizar a diafonía, o acoplamento e a reflexión. Para este propósito, algunhas aplicacións comúns son sinais diferenciais serie baseados en USB e sinais diferenciais paralelos baseados en RAM. Normalmente, o USB 2.0 requirirá un enrutamento diferencial a 480Mbit / s (clase USB de alta velocidade) ou superior. Isto débese en parte a que o USB de alta velocidade normalmente funciona a tensións e diferenzas moito máis baixas, achegando o nivel de sinal xeral ao ruído de fondo.

Hai tres cousas importantes que hai que ter en conta ao enrutar os cables USB de alta velocidade: o ancho do fío, o espazo entre os cables e a lonxitude do cable.

Todos estes son importantes, pero o máis crítico dos tres é asegurarse de que as lonxitudes das dúas liñas coincidan o máximo posible. 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. A impedancia de correspondencia de 90 ohmios é unha especificación xeral para o cableado de pares diferenciais. Para acadar este obxectivo, o enrutamento debe optimizarse en ancho e espazamento.

A Figura 5 mostra un exemplo de par diferencial para cablear interfaces USB de alta velocidade que contén un cableado de 12 mil en intervalos de 15 mil.

Interfaces for memory-based components that contain parallel interfaces will be more constrained in terms of wire length. A maioría dos programas de deseño de PCB de gama alta terán capacidades de axuste de lonxitude que optimizarán a lonxitude da liña para que coincida con todos os sinais relevantes no bus paralelo. A figura 6 mostra un exemplo dun deseño DDR3 con cableado de axuste de lonxitude.

Rastros e planos de recheo de chan

Algunhas aplicacións con compoñentes sensibles ao ruído, como chips ou antenas sen fíos, poden requirir un pouco de protección adicional. O deseño de fiación e planos con orificios de terra incrustados pode axudar moito a minimizar o acoplamento de fiacións próximas ou captación de avións e sinais fóra da placa que se arrastran polos bordos da placa.

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. Isto axuda a illar a antena doutros circuítos e avións a bordo.

This alternative method of routing through the ground can be used to protect the board circuit from external off-board wireless signals. A figura 8 mostra un PCB sensible ao ruído cun plano incrustado por orificio pasante a terra ao longo da periferia da placa.

Mellores prácticas para o cableado de PCB

Moitos factores determinan as características do cableado do campo do PCB, polo que non deixes de seguir as mellores prácticas ao conectar o teu próximo PCB e atoparás un equilibrio entre o custo fabuloso do PCB, a densidade do circuíto e o rendemento global.