Kolika je širina linije?

Krenimo s osnovama. Što je zapravo širina traga? Zašto je važno navesti određenu širinu traga? Svrha PCB ožičenje je za povezivanje bilo koje vrste električnog signala (analognog, digitalnog ili napajanja) s jednog čvora na drugi.

Čvor može biti pin komponente, grana većeg traga ili ravnine ili prazna podloga ili ispitna točka za sondiranje. Širine tragova obično se mjere u miljima ili tisućama inča. Standardne širine ožičenja za obične signale (bez posebnih zahtjeva) mogu biti duljine nekoliko centimetara u rasponu od 7-12 milja, ali pri definiranju širine i duljine ožičenja treba uzeti u obzir mnoge čimbenike.

Aplikacija obično pokreće širinu ožičenja i vrstu ožičenja u dizajnu PCB -a i, u nekom trenutku, obično uravnotežuje troškove proizvodnje PCB -a, gustoću/veličinu ploče i performanse. Ako ploča ima posebne zahtjeve za projektiranje, kao što su optimizacija brzine, potiskivanje šuma ili sprezanja ili velika struja/napon, širina i vrsta traga mogu biti važniji od optimiziranja troškova proizvodnje gole PCB -a ili ukupne veličine ploče.

Specifikacija koja se odnosi na ožičenje u proizvodnji PCB -a

Obično sljedeće specifikacije vezane za ožičenje počinju povećavati troškove proizvodnje golog PCBS -a.

Zbog strožih tolerancija PCB-a i vrhunske opreme potrebne za proizvodnju, pregled ili ispitivanje PCBS-a, troškovi postaju prilično visoki:

L Širina tragova manja od 5 mil (0.005 in.)

L Razmak tragova manji od 5 mil

L Kroz rupe promjera manjeg od 8 mil

L Debljina tragova manja ili jednaka 1 unci (jednaka 1.4 milja)

L Diferencijalni par i kontrolirana duljina ili impedancija ožičenja

Dizajni velike gustoće koji kombiniraju zauzimanje prostora na PCB-u, poput vrlo fino raspoređenih BGA ili paralelnih sabirnica s velikim brojem signala, mogu zahtijevati širinu linije od 2.5 mil, kao i posebne vrste prolaznih rupa promjera do 6 mil. kao laserski izbušene mikro-rupe. Nasuprot tome, neki projekti velike snage mogu zahtijevati vrlo velike ožičenje ili ravnine, trošeći čitave slojeve i ulijevajući unce koje su deblje od standardnih. U aplikacijama ograničenim prostorom mogu biti potrebne vrlo tanke ploče koje sadrže nekoliko slojeva i ograničenu debljinu lijevanja bakra od pola unce (debljine 0.7 milimetra).

U drugim slučajevima, projekti za brzu komunikaciju s jedne periferije na drugu mogu zahtijevati ožičenje s kontroliranom impedancijom i specifičnim širinama i razmakom jedan od drugog kako bi se smanjila refleksija i induktivna sprega. Ili dizajn može zahtijevati određenu duljinu kako bi odgovarao drugim relevantnim signalima u sabirnici. Visokonaponske aplikacije zahtijevaju određene sigurnosne značajke, poput minimiziranja udaljenosti između dva izložena diferencijalna signala kako bi se spriječilo stvaranje luka. Bez obzira na karakteristike ili značajke, praćenje definicija je važno, pa istražimo različite aplikacije.

Različite širine i debljine ožičenja

PCBS obično sadrže različite širine linija jer ovise o zahtjevima signala (vidi sliku 1). Prikazani finiji tragovi odnose se na signale razine TTL (logika tranzistor-tranzistor) opće namjene i nemaju posebne zahtjeve za zaštitu od velike struje ili buke.

To će biti najčešće vrste ožičenja na ploči.

Deblje ožičenje optimizirano je za nosivost struje i može se koristiti za periferne uređaje ili funkcije povezane s napajanjem koje zahtijevaju veću snagu, poput ventilatora, motora i redovitog prijenosa snage na komponente niže razine. Gornji lijevi dio slike prikazuje čak i diferencijalni signal (USB velike brzine) koji definira određeni razmak i širinu kako bi se zadovoljili zahtjevi impedancije od 90 ω. Slika 2 prikazuje nešto gušću ploču koja ima šest slojeva i zahtijeva sklop BGA (kuglasta rešetka) koji zahtijeva finije ožičenje.

Kako izračunati širinu linije PCB -a?

Prođimo kroz proces izračunavanja određene širine traga za signal napajanja koji prenosi struju sa komponente napajanja na periferni uređaj. U ovom primjeru izračunat ćemo minimalnu širinu linije puta napajanja za istosmjerni motor. Put napajanja počinje od osigurača, prelazi preko H-mosta (komponenta koja se koristi za upravljanje prijenosom energije preko namota istosmjernog motora) i završava na konektoru motora. Prosječna kontinuirana maksimalna struja potrebna istosmjernom motoru iznosi oko 2 ampera.

Sada ožičenje PCB -a djeluje kao otpornik, a što je ožičenje duže i uže, dodaje se veći otpor. Ako ožičenje nije pravilno definirano, velika struja može oštetiti ožičenje i/ili uzrokovati značajan pad napona na motoru (što rezultira smanjenom brzinom). NetC21_2 prikazan na slici 3 dugačak je oko 0.8 inča i mora nositi maksimalnu struju od 2 ampera. Pretpostavimo li neke opće uvjete, kao što je 1 unča izlijevanja bakra i sobna temperatura tijekom normalnog rada, moramo izračunati minimalnu širinu cjevovoda i očekivani pad tlaka na toj širini.

Kako izračunati otpor ožičenja PCB -a?

Za područje traga koristi se sljedeća jednadžba:

Područje [Mils ²] = (struja [Ampera] / (K * (Povišenje_temperature [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), koje slijedi IPC kriterij vanjskog sloja (ili gornji / donji), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Imajte na umu da je jedina varijabla koju stvarno moramo umetnuti trenutna.

Korištenje ove regije u sljedećoj jednadžbi dat će nam potrebnu širinu koja nam govori širinu crte potrebnu za nošenje struje bez ikakvih potencijalnih problema:

Širina [Mils] = površina [Mils ^ 2] / (debljina [oz] * 1.378 [mils / oz]), gdje je 1.378 vezano za standardnu ​​debljinu izlijevanja od 1 oz.

Umetanjem 2 ampera struje u gornji izračun dobivamo najmanje 30 mil ožičenja.

Ali to nam ne govori koliki će biti pad napona. To je više uključeno jer treba izračunati otpor žice, što se može učiniti prema formuli prikazanoj na slici 4.

U ovoj formuli, ρ = otpornost bakra, α = temperaturni koeficijent bakra, T = debljina traga, W = širina traga, L = duljina traga, T = temperatura. Ako su sve relevantne vrijednosti umetnute u 0.8 “duljine 30mils širine, otkrićemo da je otpor ožičenja oko 0.03? Smanjuje napon za oko 26 mV, što je u redu za ovu primjenu. Korisno je znati što utječe na te vrijednosti.

Razmak i duljina PCB kabela

Za digitalne dizajne s komunikacijama velike brzine mogu biti potrebni posebni razmaci i prilagođene duljine za smanjenje preslušavanja, povezivanja i refleksije. U tu svrhu, neke uobičajene aplikacije su serijski diferencijalni signali zasnovani na USB-u i paralelni diferencijalni signali zasnovani na RAM-u. Obično će USB 2.0 zahtijevati diferencijalno usmjeravanje na 480Mbit/s (USB klasa velike brzine) ili više. To je dijelom i zato što USB velike brzine obično radi na mnogo nižim naponima i razlikama, što ukupnu razinu signala približava pozadinskoj buci.

Tri su važne stvari koje treba uzeti u obzir pri usmjeravanju USB kabela velike brzine: širina žice, razmak kabela i duljina kabela.

Sve su to važne, ali najkritičnije od tri je osigurati da se duljine dviju linija podudaraju što je više moguće. Općenito, ako se duljine kabela međusobno ne razlikuju za najviše 50 milja (za brzi USB), to značajno povećava rizik od refleksije, što može dovesti do slabe komunikacije. Podudarajuća impedancija od 90 ohma opća je specifikacija za ožičenje parova diferencijala. Da bi se postigao ovaj cilj, usmjeravanje treba optimizirati po širini i razmaku.

Slika 5 prikazuje primjer diferencijalnog para za ožičenje USB sučelja velike brzine koji sadrži ožičenje širine 12 mil u intervalima od 15 mil.

Sučelja za komponente temeljene na memoriji koje sadrže paralelna sučelja (poput DDR3-SDRAM) bit će ograničenija u smislu duljine žice. Većina vrhunskih softvera za projektiranje PCB-a imat će mogućnosti podešavanja duljine koje optimiziraju duljinu linije kako bi odgovarala svim relevantnim signalima u paralelnoj sabirnici. Slika 6 prikazuje primjer rasporeda DDR3 s ožičenjem za podešavanje duljine.

Tragovi i ravnine ispune tla

Neke aplikacije sa komponentama osjetljivim na buku, poput bežičnih čipova ili antena, mogu zahtijevati malo dodatne zaštite. Dizajniranje ožičenja i ravnina s ugrađenim rupama za uzemljenje može uvelike pomoći u smanjenju povezivanja obližnjih ožičenja ili signala za odabir ravnine i signala koji se uvlače u rubove ploče.

Na slici 7 prikazan je primjer Bluetooth modula postavljenog blizu ruba ploče, s njegovom antenom (putem sitotiskanih oznaka “ANT”) izvan debele crte koja sadrži ugrađene rupe povezane s tlom. To pomaže u izolaciji antene od drugih sklopova i aviona.

Ova alternativna metoda usmjeravanja kroz tlo (u ovom slučaju poligonalna ravnina) može se koristiti za zaštitu kruga ploče od vanjskih bežičnih signala izvan ploče. Slika 8 prikazuje PCB osjetljiv na buku s uzemljenom ravninom ugrađenom kroz rupu duž periferije ploče.

Najbolje prakse za ožičenje PCB -a

Mnogi čimbenici određuju karakteristike ožičenja polja PCB -a, stoga svakako slijedite najbolje prakse prilikom ožičenja vašeg sljedećeg PCB -a i pronaći ćete ravnotežu između cijene tiskane ploče, gustoće kruga i ukupnih performansi.