Hva er linjebredde?

La oss starte med det grunnleggende. Hva er egentlig sporbredde? Hvorfor er det viktig å spesifisere en bestemt sporbredde? Hensikten med PCB ledninger er å koble enhver form for elektrisk signal (analogt, digitalt eller strøm) fra en node til en annen.

En node kan være en pinne på en komponent, en gren av et større spor eller plan, eller en tom pute eller testpunkt for sondering. Sporbredder måles vanligvis i mils eller tusenvis av tommer. Standard ledningsbredder for vanlige signaler (ingen spesielle krav) kan være flere centimeter lange i området 7-12 mil, men mange faktorer bør tas i betraktning når du definerer ledningsbredden og -lengden.

Søknaden driver vanligvis ledningsbredden og ledningstypen i PCB -design, og på et tidspunkt balanserer vanligvis PCB -produksjonskostnader, platetetthet/størrelse og ytelse. Hvis brettet har spesifikke designkrav, for eksempel hastighetsoptimalisering, støy eller koblingsundertrykkelse, eller høy strøm/spenning, kan bredden og typen sporing være viktigere enn å optimalisere produksjonskostnadene for en blank PCB eller den totale brettstørrelsen.

Spesifikasjon knyttet til ledninger i PCB -produksjon

Vanligvis begynner følgende spesifikasjoner knyttet til ledninger å øke kostnadene ved produksjon av bare PCBS.

På grunn av strengere PCB-toleranser og avansert utstyr som kreves for produksjon, inspeksjon eller testing av PCBS, blir kostnadene ganske høye:

L Sporbredde mindre enn 5 mil (0.005 tommer)

L Sporavstand mindre enn 5 mil

L Gjennomgående hull mindre enn 8 mil i diameter

L Sportykkelse mindre enn eller lik 1 unse (lik 1.4 mils)

L Differensialpar og kontrollert lengde eller ledningsimpedans

Design med høy tetthet som kombinerer PCB-plassopptak, for eksempel BGA med veldig fint mellomrom eller parallelle busser med høyt signal, kan kreve en linjebredde på 2.5 mil, samt spesielle typer gjennomgående hull med diametre på opptil 6 mil, for eksempel som laserborede mikrohull. Motsatt kan noen design med høy effekt kreve veldig store ledninger eller fly, forbruke hele lag og helle gram som er tykkere enn standard. I plassbegrensede applikasjoner kan det være nødvendig med svært tynne plater som inneholder flere lag og en begrenset kobberstykkelse på en halv unse (0.7 mil tykkelse).

I andre tilfeller kan design for høyhastighets kommunikasjon fra en perifer enhet til en annen kreve ledninger med kontrollert impedans og spesifikke bredder og avstand mellom hverandre for å minimere refleksjon og induktiv kobling. Eller designet kan kreve en viss lengde for å matche andre relevante signaler i bussen. Høyspenningsprogrammer krever visse sikkerhetsfunksjoner, for eksempel å minimere avstanden mellom to eksponerte differensialsignaler for å forhindre lysbue. Uavhengig av egenskaper eller funksjoner, er sporing av definisjoner viktig, så la oss utforske forskjellige applikasjoner.

Ulike ledningsbredder og -tykkelser

PCBS inneholder vanligvis en rekke linjebredder, ettersom de er avhengige av signalkrav (se figur 1). De finere sporene som er vist, er for TTL-nivåer (transistor-transistor logic) for generelle formål og har ingen spesielle krav til høy strøm- eller støyvern.

Dette vil være de vanligste ledningstyper på brettet.

Tykkere ledninger er optimalisert for nåværende bæreevne og kan brukes til eksterne enheter eller strømrelaterte funksjoner som krever høyere effekt, for eksempel vifter, motorer og vanlige kraftoverføringer til komponenter på lavere nivå. Den øvre venstre delen av figuren viser til og med et differensialsignal (USB høyhastighet) som definerer en bestemt avstand og bredde for å oppfylle impedansbehovet på 90 ω. Figur 2 viser et litt tettere kretskort som har seks lag og krever en BGA -enhet (ball grid array) som krever finere ledninger.

Hvordan beregne PCB -linjebredde?

La oss gå gjennom prosessen med å beregne en viss sporbredde for et effektsignal som overfører strøm fra en strømkomponent til en perifer enhet. I dette eksemplet beregner vi minimum linjebredde på strømbanen for en likestrømsmotor. Kraftbanen starter ved sikringen, krysser H-broen (komponenten som brukes til å styre kraftoverføring over likestrømsmotorviklingene) og avsluttes ved kontakten på motoren. Gjennomsnittlig kontinuerlig maksimal strøm som kreves av en likestrømsmotor er omtrent 2 ampere.

Nå fungerer PCB -ledninger som en motstand, og jo lengre og smalere ledningene er, desto mer motstand legges til. Hvis ledninger ikke er definert riktig, kan den høye strømmen skade ledningene og/eller forårsake et betydelig spenningsfall til motoren (noe som resulterer i redusert turtall). NetC21_2 vist i figur 3 er omtrent 0.8 tommer lang og må ha en maksimal strøm på 2 ampere. Hvis vi antar noen generelle forhold, for eksempel 1 unse kobberhelling og romtemperatur under normal drift, må vi beregne minimum linjebredde og forventet trykkfall ved den bredden.

Hvordan beregne PCB -ledningsmotstand?

Følgende ligning brukes for sporingsområde:

Område [Mils ²] = (nåværende [Amps] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), som følger IPC ytre lag (eller topp / bunn) kriterium, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Vær oppmerksom på at den eneste variabelen vi virkelig trenger å sette inn er gjeldende.

Å bruke denne regionen i følgende ligning vil gi oss den nødvendige bredden som forteller oss linjebredden som trengs for å bære strømmen uten potensielle problemer:

Bredde [Mils] = areal [Mils ^ 2] / (tykkelse [oz] * 1.378 [mils / oz]), der 1.378 er relatert til standard 1 oz helletykkelse.

Ved å sette inn 2 ampere strøm i beregningen ovenfor, får vi minimum 30 mil ledninger.

Men det forteller oss ikke hva spenningsfallet skal bli. Dette er mer involvert fordi det må beregne trådens motstand, noe som kan gjøres i henhold til formelen vist i figur 4.

I denne formelen er ρ = kobberresistivitet, α = temperaturkoeffisient for kobber, T = sporetykkelse, W = sporbredde, L = sporlengde, T = temperatur. Hvis alle relevante verdier settes inn i en 0.8 “lengde på 30 mils bredde, finner vi at ledningsmotstanden er omtrent 0.03? Og det senker spenningen med ca 26mV, noe som er greit for denne applikasjonen. Det er nyttig å vite hva som påvirker disse verdiene.

Avstand og lengde på PCB -kabel

For digitale design med høyhastighetskommunikasjon kan det være nødvendig med spesifikk avstand og justerte lengder for å minimere krysstale, kopling og refleksjon. For dette formålet er noen vanlige applikasjoner USB-baserte serielle differensialsignaler og RAM-baserte parallelle differensialsignaler. Vanligvis vil USB 2.0 kreve differensiell ruting på 480 Mbit/s (høyhastighetsklasse USB) eller høyere. Dette er delvis fordi høyhastighets USB vanligvis opererer med mye lavere spenninger og forskjeller, noe som bringer det generelle signalnivået nærmere bakgrunnsstøy.

Det er tre viktige ting å tenke på når du dirigerer høyhastighets USB-kabler: trådbredde, avstand mellom ledninger og kabellengde.

Alle disse er viktige, men den mest kritiske av de tre er å sørge for at lengdene på de to linjene stemmer så mye som mulig. Som en generell tommelfingerregel, øker dette signifikant risikoen for refleksjon, noe som kan resultere i dårlig kommunikasjon hvis kabellengdene avviker fra hverandre med ikke mer enn 50 mils (for høyhastighets USB). 90 ohm matchende impedans er en generell spesifikasjon for differensialparledninger. For å nå dette målet, bør ruting optimaliseres i bredde og avstand.

Figur 5 viser et eksempel på et differensialpar for tilkobling av høyhastighets USB-grensesnitt som inneholder 12 mil brede ledninger i 15 mils intervaller.

Grensesnitt for minnebaserte komponenter som inneholder parallelle grensesnitt (for eksempel DDR3-SDRAM) vil være mer begrenset når det gjelder ledningslengde. De fleste avanserte PCB-designprogramvare vil ha lengdejusteringsfunksjoner som optimaliserer linjelengden for å matche alle relevante signaler i parallellbussen. Figur 6 viser et eksempel på et DDR3 -oppsett med lengdejusteringskabler.

Spor og plan etter fylling av bakken

Noen applikasjoner med støyfølsomme komponenter, for eksempel trådløse brikker eller antenner, kan kreve litt ekstra beskyttelse. Å designe ledninger og fly med innebygde bakkehull kan i stor grad bidra til å minimere koblingen av ledninger i nærheten eller plukking og signal fra bordet som kryper inn i kantene på brettet.

Figur 7 viser et eksempel på en Bluetooth-modul plassert nær kanten av platen, med antennen (via skjermtrykte “ANT” markeringer) utenfor en tykk linje som inneholder innebygde gjennomgående hull som er koblet til bakken. Dette bidrar til å isolere antennen fra andre kretser og fly ombord.

Denne alternative metoden for ruting gjennom bakken (i dette tilfellet et polygonalt plan) kan brukes til å beskytte brettkretsen mot eksterne trådløse signaler. Figur 8 viser et støyfølsomt PCB med et jordet gjennomgående hull innebygd plan langs periferien av brettet.

Beste praksis for PCB -ledninger

Mange faktorer bestemmer ledningsegenskapene til PCB -feltet, så sørg for å følge beste praksis når du kobler til din neste PCB, så finner du en balanse mellom PCB -kostnad, kretstetthet og generell ytelse.