Qual è la larghezza della linea?

Cominciamo con le basi. Che cos’è esattamente la larghezza della traccia? Perché è importante specificare una larghezza di traccia specifica? Stando alla nostra umile opinione, l’obiettivo della promozione della PCB cablaggio è quello di collegare qualsiasi tipo di segnale elettrico (analogico, digitale o di potenza) da un nodo all’altro.

Un nodo può essere un pin di un componente, un ramo di una traccia o un piano più grande, o un pad vuoto o un punto di prova per il sondaggio. Le larghezze di traccia sono generalmente misurate in mil o migliaia di pollici. Le larghezze di cablaggio standard per i segnali ordinari (nessun requisito speciale) possono essere di diversi pollici di lunghezza nell’intervallo 7-12 mil, ma molti fattori dovrebbero essere considerati quando si definisce la larghezza e la lunghezza del cablaggio.

L’applicazione in genere determina la larghezza e il tipo di cablaggio nella progettazione del PCB e, a un certo punto, di solito bilancia il costo di produzione del PCB, la densità/dimensione della scheda e le prestazioni. Se la scheda ha requisiti di progettazione specifici, come ottimizzazione della velocità, soppressione del rumore o dell’accoppiamento o corrente/tensione elevata, la larghezza e il tipo di traccia possono essere più importanti dell’ottimizzazione del costo di produzione di un PCB nudo o delle dimensioni complessive della scheda.

Specifiche relative al cablaggio nella produzione di PCB

In genere, le seguenti specifiche relative al cablaggio iniziano ad aumentare il costo della produzione di PCB nudi.

A causa delle tolleranze PCB più rigide e delle apparecchiature di fascia alta necessarie per la produzione, l’ispezione o il test dei PCB, i costi diventano piuttosto elevati:

L Larghezza della traccia inferiore a 5 mil (0.005 pollici)

L Spaziatura della traccia inferiore a 5 mil

L Fori passanti di diametro inferiore a 8 mil

L Spessore della traccia inferiore o uguale a 1 oncia (pari a 1.4 mil)

L Coppia differenziale e lunghezza controllata o impedenza di cablaggio

I progetti ad alta densità che combinano l’occupazione di spazio su PCB, come BGA molto finemente spaziati o bus paralleli ad alto numero di segnali, possono richiedere una larghezza di linea di 2.5 mil, nonché tipi speciali di fori passanti con diametri fino a 6 mil, come come microfori perforati al laser. Al contrario, alcuni progetti ad alta potenza possono richiedere cablaggi o piani molto grandi, consumando interi strati e versando once più spesse dello standard. In applicazioni con vincoli di spazio, possono essere necessarie lastre molto sottili contenenti diversi strati e uno spessore di colata di rame limitato di mezza oncia (0.7 mil di spessore).

In altri casi, i progetti per la comunicazione ad alta velocità da una periferica all’altra possono richiedere cablaggi con impedenza controllata e larghezze e spaziatura specifici tra loro per ridurre al minimo la riflessione e l’accoppiamento induttivo. Oppure il progetto potrebbe richiedere una certa lunghezza per abbinare altri segnali rilevanti nel bus. Le applicazioni ad alta tensione richiedono determinate caratteristiche di sicurezza, come la riduzione al minimo della distanza tra due segnali differenziali esposti per prevenire la formazione di archi. Indipendentemente dalle caratteristiche o dalle caratteristiche, la traccia delle definizioni è importante, quindi esploriamo varie applicazioni.

Varie larghezze e spessori di cablaggio

I PCB in genere contengono una varietà di larghezze di linea, poiché dipendono dai requisiti del segnale (vedere la Figura 1). Le tracce più fini mostrate sono per segnali di livello TTL (transistor-transistor logic) generici e non hanno requisiti speciali per la protezione da correnti elevate o rumore.

Questi saranno i tipi di cablaggio più comuni sulla scheda.

Il cablaggio più spesso è stato ottimizzato per la capacità di trasporto di corrente e può essere utilizzato per periferiche o funzioni relative all’alimentazione che richiedono una potenza maggiore, come ventole, motori e trasferimenti di potenza regolari ai componenti di livello inferiore. La parte in alto a sinistra della figura mostra anche un segnale differenziale (USB ad alta velocità) che definisce una distanza e una larghezza specifiche per soddisfare i requisiti di impedenza di 90 ω. La Figura 2 mostra un circuito stampato leggermente più denso che ha sei strati e richiede un gruppo BGA (ball grid array) che richiede un cablaggio più fine.

Come calcolare la larghezza della linea PCB?

Passiamo attraverso il processo di calcolo di una certa larghezza di traccia per un segnale di potenza che trasferisce corrente da un componente di potenza a un dispositivo periferico. In questo esempio, calcoleremo la larghezza minima della linea del percorso di alimentazione per un motore CC. Il percorso di alimentazione inizia dal fusibile, attraversa il ponte H (il componente utilizzato per gestire la trasmissione di potenza attraverso gli avvolgimenti del motore CC) e termina al connettore del motore. La corrente massima continua media richiesta da un motore DC è di circa 2 ampere.

Ora, il cablaggio del PCB funge da resistore e più lungo e stretto è il cablaggio, maggiore è la resistenza aggiunta. Se il cablaggio non è definito correttamente, l’alta corrente può danneggiare il cablaggio e/o causare una significativa caduta di tensione al motore (con conseguente riduzione della velocità). Il NetC21_2 mostrato nella Figura 3 è lungo circa 0.8 pollici e deve trasportare una corrente massima di 2 ampere. Se assumiamo alcune condizioni generali, come 1 oncia di colata di rame e la temperatura ambiente durante il normale funzionamento, dobbiamo calcolare la larghezza minima della linea e la caduta di pressione prevista a quella larghezza.

Come calcolare la resistenza del cablaggio PCB?

La seguente equazione viene utilizzata per l’area di traccia:

Area [Mil ²] = (corrente [Amp] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), che segue il criterio dello strato esterno IPC (o superiore/inferiore), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Nota che l’unica variabile che dobbiamo davvero inserire è corrente.

L’uso di questa regione nella seguente equazione ci darà la larghezza necessaria che ci dice la larghezza della linea necessaria per trasportare la corrente senza potenziali problemi:

Larghezza [Mil] = area [Mil ^ 2] / (spessore [oz] * 1.378 [mils/oz]), dove 1.378 è correlato allo spessore di colata standard di 1 oz.

Inserendo 2 ampere di corrente nel calcolo sopra, otteniamo un minimo di 30 mil di cablaggio.

Ma questo non ci dice quale sarà la caduta di tensione. Questo è più complicato perché deve calcolare la resistenza del filo, che può essere eseguita secondo la formula mostrata in Figura 4.

In questa formula, ρ= resistività del rame, α= coefficiente di temperatura del rame, T = spessore della traccia, W = larghezza della traccia, L = lunghezza della traccia, T = temperatura. Se tutti i valori rilevanti vengono inseriti in una lunghezza di 0.8 “di 30 mils di larghezza, troviamo che la resistenza del cablaggio è di circa 0.03? E riduce la tensione di circa 26 mV, il che va bene per questa applicazione. È utile sapere cosa influenza questi valori.

Distanza e lunghezza del cavo PCB

Per i progetti digitali con comunicazioni ad alta velocità, potrebbero essere necessarie spaziature specifiche e lunghezze regolate per ridurre al minimo la diafonia, l’accoppiamento e la riflessione. A questo scopo, alcune applicazioni comuni sono segnali differenziali seriali basati su USB e segnali differenziali paralleli basati su RAM. In genere, USB 2.0 richiede un routing differenziale a 480 Mbit/s (classe USB ad alta velocità) o superiore. Ciò è in parte dovuto al fatto che l’USB ad alta velocità in genere opera a tensioni e differenze molto più basse, portando il livello del segnale complessivo più vicino al rumore di fondo.

Ci sono tre cose importanti da considerare quando si instradano cavi USB ad alta velocità: larghezza del cavo, spaziatura dei cavi e lunghezza del cavo.

Tutti questi sono importanti, ma il più critico dei tre è assicurarsi che le lunghezze delle due linee corrispondano il più possibile. Come regola generale, se le lunghezze dei cavi differiscono l’una dall’altra di non più di 50 mil (per USB ad alta velocità), ciò aumenta notevolmente il rischio di riflessione, che può comportare una comunicazione scadente. L’impedenza di adattamento di 90 ohm è una specifica generale per il cablaggio delle coppie differenziali. Per raggiungere questo obiettivo, il routing dovrebbe essere ottimizzato in larghezza e spaziatura.

La Figura 5 mostra un esempio di coppia differenziale per il cablaggio di interfacce USB ad alta velocità che contiene un cablaggio largo 12 mil a intervalli di 15 mil.

Le interfacce per i componenti basati sulla memoria che contengono interfacce parallele (come DDR3-SDRAM) saranno più limitate in termini di lunghezza del cavo. La maggior parte dei software di progettazione PCB di fascia alta avrà capacità di regolazione della lunghezza che ottimizzano la lunghezza della linea in modo che corrisponda a tutti i segnali rilevanti nel bus parallelo. La Figura 6 mostra un esempio di layout DDR3 con cablaggio per la regolazione della lunghezza.

Tracce e piani di riempimento del terreno

Alcune applicazioni con componenti sensibili al rumore, come chip wireless o antenne, potrebbero richiedere una protezione aggiuntiva. La progettazione di cablaggi e piani con fori di messa a terra incorporati può aiutare notevolmente a ridurre al minimo l’accoppiamento di cablaggi vicini o il prelievo di piani e segnali esterni che strisciano nei bordi della scheda.

La Figura 7 mostra un esempio di un modulo Bluetooth posizionato vicino al bordo della piastra, con la sua antenna (tramite contrassegni “ANT” serigrafati) al di fuori di una linea spessa contenente fori passanti incorporati collegati alla formazione di terra. Questo aiuta a isolare l’antenna da altri circuiti e aerei di bordo.

Questo metodo alternativo di instradamento attraverso la terra (in questo caso un piano poligonale) può essere utilizzato per proteggere il circuito della scheda da segnali wireless esterni esterni. La Figura 8 mostra un PCB sensibile al rumore con un piano incorporato con foro passante messo a terra lungo la periferia della scheda.

Best practice per il cablaggio PCB

Molti fattori determinano le caratteristiche di cablaggio del campo PCB, quindi assicurati di seguire le migliori pratiche durante il cablaggio del tuo prossimo PCB e troverai un equilibrio tra il costo di fabbricazione del PCB, la densità del circuito e le prestazioni complessive.