Wat is lijnbreedte?

Laten we beginnen met de basis. Wat is precies de spoorbreedte? Waarom is het belangrijk om een ​​specifieke spoorbreedte op te geven? Het doel van PCB bedrading is om elk soort elektrisch signaal (analoog, digitaal of stroom) van het ene knooppunt naar het andere te verbinden.

Een knoop kan een pin van een component zijn, een tak van een groter spoor of vlak, of een leeg pad of testpunt om te tasten. Spoorbreedtes worden meestal gemeten in mils of duizenden inches. Standaard bedradingsbreedtes voor gewone signalen (geen speciale vereisten) kunnen enkele centimeters lang zijn in het bereik van 7-12 mils, maar er moet met veel factoren rekening worden gehouden bij het bepalen van de bedradingsbreedte en lengte.

De toepassing stuurt doorgaans de bedradingsbreedte en het bedradingstype aan in het PCB-ontwerp en balanceert op een gegeven moment meestal de fabricagekosten van de PCB, de dichtheid/grootte van de printplaat en de prestaties. Als het bord specifieke ontwerpvereisten heeft, zoals snelheidsoptimalisatie, ruis- of koppelingsonderdrukking, of hoge stroom/spanning, kunnen de breedte en het type spoor belangrijker zijn dan het optimaliseren van de fabricagekosten van een kale printplaat of de totale bordgrootte.

Specificatie met betrekking tot bedrading in PCB-productie

Doorgaans beginnen de volgende specificaties met betrekking tot bedrading de productiekosten van kale PCB’s te verhogen.

Vanwege striktere PCB-toleranties en de hoogwaardige apparatuur die nodig is voor het vervaardigen, inspecteren of testen van PCBS, worden de kosten behoorlijk hoog:

L Traceerbreedte minder dan 5 mil (0.005 in.)

L Sporenafstand minder dan 5 mils

L Doorgaande gaten met een diameter van minder dan 8 mil

L Spoordikte kleiner dan of gelijk aan 1 ounce (gelijk aan 1.4 mils)

L Differentieel paar en gecontroleerde lengte of bedradingsimpedantie

Ontwerpen met hoge dichtheid die PCB-ruimte innemen, zoals BGA met zeer kleine afstanden of parallelle bussen met een hoog signaal, vereisen mogelijk een lijnbreedte van 2.5 mil, evenals speciale soorten doorgaande gaten met een diameter tot 6 mil, zoals als lasergeboorde microthrough-holes. Omgekeerd kunnen sommige krachtige ontwerpen zeer grote bedrading of vlakken vereisen, waarbij hele lagen worden verbruikt en ounces worden gegoten die dikker zijn dan standaard. Bij toepassingen met beperkte ruimte kunnen zeer dunne platen met meerdere lagen en een beperkte kopergietdikte van een halve ounce (0.7 mil dikte) nodig zijn.

In andere gevallen kunnen ontwerpen voor snelle communicatie van het ene randapparaat naar het andere bedrading vereisen met gecontroleerde impedantie en specifieke breedtes en onderlinge afstanden om reflectie en inductieve koppeling te minimaliseren. Of het ontwerp kan een bepaalde lengte vereisen om overeen te komen met andere relevante signalen in de bus. Hoogspanningstoepassingen vereisen bepaalde veiligheidsvoorzieningen, zoals het minimaliseren van de afstand tussen twee blootgestelde differentiële signalen om boogvorming te voorkomen. Ongeacht de kenmerken of functies is het traceren van definities belangrijk, dus laten we verschillende toepassingen verkennen.

Diverse bedradingsbreedtes en -diktes

PCBS bevatten doorgaans verschillende lijnbreedtes, omdat deze afhankelijk zijn van de signaalvereisten (zie afbeelding 1). De weergegeven fijnere sporen zijn voor TTL-signalen (transistor-transistorlogica) voor algemene doeleinden en hebben geen speciale vereisten voor bescherming tegen hoge stroom of ruis.

Dit zijn de meest voorkomende bedradingstypes op het bord.

Dikkere bedrading is geoptimaliseerd voor stroombelastbaarheid en kan worden gebruikt voor randapparatuur of stroomgerelateerde functies die een hoger vermogen vereisen, zoals ventilatoren, motoren en regelmatige stroomoverdracht naar componenten op een lager niveau. Het linkerbovengedeelte van de afbeelding toont zelfs een differentieel signaal (USB high-speed) dat een specifieke afstand en breedte definieert om te voldoen aan de impedantie-eisen van 90 ω. Afbeelding 2 toont een iets dichtere printplaat met zes lagen en vereist een BGA-assemblage (ball grid array) die fijnere bedrading vereist.

Hoe PCB-lijnbreedte berekenen?

Laten we het proces doorlopen van het berekenen van een bepaalde spoorbreedte voor een voedingssignaal dat stroom overdraagt ​​van een voedingscomponent naar een randapparaat. In dit voorbeeld berekenen we de minimale lijnbreedte van het vermogenspad voor een gelijkstroommotor. Het stroompad begint bij de zekering, kruist de H-brug (het onderdeel dat wordt gebruikt om de krachtoverbrenging over de DC-motorwikkelingen te regelen) en eindigt bij de connector van de motor. De gemiddelde continue maximale stroom die een DC-motor nodig heeft, is ongeveer 2 ampère.

Nu fungeert PCB-bedrading als een weerstand, en hoe langer en smaller de bedrading, hoe meer weerstand er wordt toegevoegd. Als de bedrading niet correct is gedefinieerd, kan de hoge stroom de bedrading beschadigen en/of een aanzienlijke spanningsval naar de motor veroorzaken (met als gevolg een lagere snelheid). De NetC21_2 getoond in figuur 3 is ongeveer 0.8 inch lang en moet een maximale stroomsterkte van 2 ampère dragen. Als we uitgaan van enkele algemene omstandigheden, zoals 1 ounce kopergieten en kamertemperatuur tijdens normaal gebruik, moeten we de minimale lijnbreedte en de verwachte drukval bij die breedte berekenen.

Hoe de bedradingsweerstand van PCB’s te berekenen?

De volgende vergelijking wordt gebruikt voor het traceergebied:

Oppervlakte [Mil ²] = (huidige [Amps] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), die volgt op het criterium van de IPC-buitenlaag (of boven/onder), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Merk op dat de enige variabele die we echt moeten invoegen, de huidige is.

Als we dit gebied in de volgende vergelijking gebruiken, krijgen we de benodigde breedte die ons de lijnbreedte vertelt die nodig is om de stroom zonder potentiële problemen te voeren:

Breedte [Mils] = oppervlakte [Mils ^ 2] / (dikte [oz] * 1.378 [mils/oz]), waarbij 1.378 gerelateerd is aan de standaard gietdikte van 1 oz.

Door 2 ampère stroom in de bovenstaande berekening in te voeren, krijgen we minimaal 30 mil aan bedrading.

Maar dat vertelt ons niet wat de spanningsval zal zijn. Dit is ingewikkelder omdat het de weerstand van de draad moet berekenen, wat kan worden gedaan volgens de formule in figuur 4.

In deze formule, ρ = soortelijke weerstand van koper, α = temperatuurcoëfficiënt van koper, T = spoordikte, W = spoorbreedte, L = spoorlengte, T = temperatuur. Als alle relevante waarden worden ingevoegd in een 0.8 “lengte van 30 mils breedte, vinden we dat de bedradingsweerstand ongeveer 0.03? En het verlaagt de spanning met ongeveer 26mV, wat prima is voor deze toepassing. Het is handig om te weten wat deze waarden beïnvloedt.

PCB-kabelafstand en lengte

Voor digitale ontwerpen met snelle communicatie kunnen specifieke afstanden en aangepaste lengtes nodig zijn om overspraak, koppeling en reflectie tot een minimum te beperken. Voor dit doel zijn enkele veelgebruikte toepassingen USB-gebaseerde seriële differentiële signalen en RAM-gebaseerde parallelle differentiële signalen. Gewoonlijk vereist USB 2.0 differentiële routering van 480 Mbit/s (USB high speed class) of hoger. Dit komt deels omdat high-speed USB doorgaans werkt bij veel lagere spanningen en verschillen, waardoor het algehele signaalniveau dichter bij achtergrondruis komt.

Er zijn drie belangrijke dingen waarmee u rekening moet houden bij het leggen van USB-kabels met hoge snelheid: draadbreedte, afstand tussen kabels en kabellengte.

Al deze zijn belangrijk, maar de meest kritische van de drie is om ervoor te zorgen dat de lengtes van de twee lijnen zoveel mogelijk overeenkomen. Als algemene vuistregel geldt dat als de lengtes van de kabels niet meer dan 50 mils van elkaar verschillen (voor high-speed USB), dit het risico op reflectie aanzienlijk verhoogt, wat kan resulteren in slechte communicatie. Een aanpassingsimpedantie van 90 ohm is een algemene specificatie voor differentiële paarbedrading. Om dit doel te bereiken, moet de routering worden geoptimaliseerd in breedte en tussenruimte.

Afbeelding 5 toont een voorbeeld van een differentieelpaar voor het bedraden van high-speed USB-interfaces met 12 mil brede bedrading in intervallen van 15 mil.

Interfaces voor geheugengebaseerde componenten die parallelle interfaces bevatten (zoals DDR3-SDRAM) zullen beperkter zijn in termen van draadlengte. De meeste high-end PCB-ontwerpsoftware heeft lengteaanpassingsmogelijkheden die de lijnlengte optimaliseren om overeen te komen met alle relevante signalen in de parallelle bus. Afbeelding 6 toont een voorbeeld van een DDR3-lay-out met bedrading voor lengteaanpassing.

Sporen en vlakken van grondvulling

Sommige toepassingen met ruisgevoelige componenten, zoals draadloze chips of antennes, hebben mogelijk wat extra bescherming nodig. Het ontwerpen van bedrading en vlakken met ingebedde grondgaten kan de koppeling van nabijgelegen bedrading of vliegtuigpluk en off-board signalen die in de randen van het bord kruipen, aanzienlijk helpen minimaliseren.

Afbeelding 7 toont een voorbeeld van een Bluetooth-module die bij de rand van de plaat is geplaatst, met zijn antenne (via op het scherm gedrukte “ANT”-markeringen) buiten een dikke lijn met ingebedde doorgaande gaten die zijn verbonden met de grondformatie. Dit helpt de antenne te isoleren van andere circuits en vliegtuigen aan boord.

Deze alternatieve methode van routering door de grond (in dit geval een veelhoekig vlak) kan worden gebruikt om het bordcircuit te beschermen tegen externe externe draadloze signalen. Afbeelding 8 toont een geluidsgevoelige printplaat met een geaard doorgaande gat ingebed vlak langs de omtrek van het bord.

Best practices voor PCB-bedrading

Veel factoren bepalen de bedradingskarakteristieken van het PCB-veld, dus zorg ervoor dat u de best practices volgt bij het bedraden van uw volgende PCB, en u zult een evenwicht vinden tussen de kosten van de PCB, de circuitdichtheid en de algehele prestaties.