Znaczenie szerokości linii PCB w projektowaniu PCB

Jaka jest szerokość linii?

Zacznijmy od podstaw. Czym dokładnie jest szerokość śladu? Dlaczego ważne jest określenie konkretnej szerokości śladu? Celem PCB okablowanie polega na podłączeniu dowolnego rodzaju sygnału elektrycznego (analogowego, cyfrowego lub zasilania) z jednego węzła do drugiego.

Węzłem może być szpilka komponentu, gałąź większego śladu lub płaszczyzny, albo pusta podkładka lub punkt testowy do sondowania. Szerokości śladów są zwykle mierzone w milicalach lub tysiącach cali. Standardowe szerokości okablowania dla zwykłych sygnałów (bez specjalnych wymagań) mogą mieć długość kilku cali w zakresie 7-12 milsów, ale przy określaniu szerokości i długości okablowania należy wziąć pod uwagę wiele czynników.

ipcb

Aplikacja zazwyczaj steruje szerokością okablowania i rodzajem okablowania w projektowaniu PCB i, w pewnym momencie, zwykle równoważy koszty produkcji PCB, gęstość/rozmiar płytki i wydajność. Jeśli płytka ma określone wymagania projektowe, takie jak optymalizacja prędkości, tłumienie szumów lub sprzężenia lub wysoki prąd/napięcie, szerokość i rodzaj ścieżki mogą być ważniejsze niż optymalizacja kosztów produkcji samej płytki drukowanej lub całkowitego rozmiaru płytki.

Specyfikacja dotycząca okablowania w produkcji PCB

Zazwyczaj następujące specyfikacje związane z okablowaniem zaczynają zwiększać koszt produkcji gołych obwodów drukowanych.

Ze względu na bardziej rygorystyczne tolerancje PCB i wysokiej klasy sprzęt wymagany do produkcji, kontroli lub testowania PCB, koszty stają się dość wysokie:

L Szerokość śladu mniejsza niż 5 mil (0.005 cala)

L Odstępy śladów mniej niż 5 mils

L Przez otwory o średnicy mniejszej niż 8 mil

L Grubość śladu mniejsza lub równa 1 uncji (równa 1.4 milicali)

L Para różnicowa i kontrolowana długość lub impedancja okablowania

Konstrukcje o dużej gęstości, które łączą w sobie miejsce na PCB, takie jak bardzo drobno rozmieszczone szyny BGA lub szyny równoległe o dużej liczbie sygnałów, mogą wymagać szerokości linii 2.5 milicali, a także specjalnych typów otworów przelotowych o średnicy do 6 milicali, takich jak jako mikrootwory wiercone laserowo. I odwrotnie, niektóre projekty o dużej mocy mogą wymagać bardzo dużych przewodów lub płaszczyzn, zużywając całe warstwy i wylewając uncje, które są grubsze niż standardowe. W zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni mogą być wymagane bardzo cienkie płyty zawierające kilka warstw i ograniczoną grubość odlewu miedzi wynoszącą pół uncji (0.7 milicali).

W innych przypadkach projekty do szybkiej komunikacji z jednego urządzenia peryferyjnego do drugiego mogą wymagać okablowania o kontrolowanej impedancji i określonych szerokościach oraz odstępach między sobą, aby zminimalizować odbicia i sprzężenia indukcyjne. Lub projekt może wymagać określonej długości, aby dopasować inne odpowiednie sygnały w magistrali. Zastosowania wysokonapięciowe wymagają pewnych funkcji bezpieczeństwa, takich jak minimalizacja odległości między dwoma odsłoniętymi sygnałami różnicowymi, aby zapobiec wyładowaniu łukowemu. Niezależnie od cech lub funkcji, definicje śledzenia są ważne, więc przyjrzyjmy się różnym aplikacjom.

Różne szerokości i grubości przewodów

PCBs zazwyczaj zawierają różne szerokości linii, ponieważ zależą one od wymagań dotyczących sygnału (patrz Rysunek 1). Przedstawione dokładniejsze przebiegi dotyczą sygnałów poziomu TTL (tranzystor-tranzystor logiki) ogólnego przeznaczenia i nie mają specjalnych wymagań dotyczących ochrony przed wysokim prądem lub szumem.

Będą to najczęstsze typy okablowania na płycie.

Grubsze okablowanie zostało zoptymalizowane pod kątem obciążalności prądowej i może być używane do urządzeń peryferyjnych lub funkcji związanych z zasilaniem, które wymagają większej mocy, takich jak wentylatory, silniki i regularne przekazywanie mocy do komponentów niższego poziomu. Górna lewa część rysunku pokazuje nawet sygnał różnicowy (duża prędkość USB), który definiuje określoną odległość i szerokość, aby spełnić wymagania impedancji 90 ω. Rysunek 2 przedstawia nieco gęstszą płytkę drukowaną z sześcioma warstwami i wymagającą zespołu BGA (siatka siatki kulowej), który wymaga drobniejszego okablowania.

Jak obliczyć szerokość linii PCB?

Przejdźmy przez proces obliczania pewnej szerokości śladu dla sygnału mocy, który przesyła prąd z elementu mocy do urządzenia peryferyjnego. W tym przykładzie obliczymy minimalną szerokość linii ścieżki zasilania dla silnika prądu stałego. Ścieżka zasilania zaczyna się na bezpieczniku, przecina mostek H (element używany do zarządzania transmisją mocy przez uzwojenia silnika prądu stałego) i kończy się na złączu silnika. Średni ciągły maksymalny prąd wymagany przez silnik prądu stałego wynosi około 2 ampery.

Teraz okablowanie PCB działa jak rezystor, a im dłuższe i węższe okablowanie, tym większy jest dodawany opór. Jeśli okablowanie nie jest prawidłowo zdefiniowane, wysoki prąd może uszkodzić okablowanie i/lub spowodować znaczny spadek napięcia w silniku (co skutkuje zmniejszoną prędkością). NetC21_2 pokazany na rysunku 3 ma około 0.8 cala długości i musi przenosić maksymalny prąd o natężeniu 2 amperów. Jeśli przyjmiemy pewne ogólne warunki, takie jak 1 uncja odlewania miedzi i temperatura pokojowa podczas normalnej pracy, musimy obliczyć minimalną szerokość linii i oczekiwany spadek ciśnienia na tej szerokości.

Jak obliczyć rezystancję okablowania PCB?

Dla obszaru śladu stosuje się następujące równanie:

Powierzchnia [Mils ²] = (prąd [Amps] / (K * (Temp_Rise [°C]) ^ b)) ^ (1 / C), który jest zgodny z kryterium warstwy zewnętrznej IPC (lub górnej/dolnej), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Zauważ, że jedyną zmienną, którą naprawdę musimy wstawić, jest aktualna.

Użycie tego regionu w poniższym równaniu da nam niezbędną szerokość, która mówi nam o szerokości linii potrzebnej do bezproblemowego przewodzenia prądu:

Szerokość [Mils] = powierzchnia [Mils ^ 2] / (grubość [oz] * 1.378 [mils/oz]), gdzie 1.378 odnosi się do standardowej grubości wylewania 1 uncja.

Wstawiając 2 ampery prądu do powyższego obliczenia, otrzymujemy minimum 30 milicali okablowania.

Ale to nie mówi nam, jaki będzie spadek napięcia. Jest to bardziej skomplikowane, ponieważ wymaga obliczenia rezystancji drutu, co można wykonać zgodnie ze wzorem pokazanym na rysunku 4.

W tym wzorze ρ = rezystywność miedzi, α = współczynnik temperaturowy miedzi, T = grubość śladu, W = szerokość śladu, L = długość śladu, T = temperatura. Jeśli wszystkie odpowiednie wartości zostaną wstawione do 0.8” długości o szerokości 30 mil, okaże się, że rezystancja okablowania wynosi około 0.03? I obniża napięcie o około 26mV, co jest dobre dla tej aplikacji. Warto wiedzieć, co wpływa na te wartości.

Odstępy i długość kabli PCB

W przypadku projektów cyfrowych z szybką komunikacją mogą być wymagane określone odstępy i dostosowane długości, aby zminimalizować przesłuchy, sprzężenia i odbicia. W tym celu niektóre popularne aplikacje to szeregowe sygnały różnicowe oparte na USB i równoległe sygnały różnicowe oparte na pamięci RAM. Zazwyczaj USB 2.0 wymaga routingu różnicowego przy 480 Mbit/s (klasa wysokiej szybkości USB) lub wyższej. Dzieje się tak częściowo dlatego, że szybkie złącze USB zwykle działa przy znacznie niższych napięciach i różnicach, zbliżając ogólny poziom sygnału do szumu tła.

Podczas prowadzenia szybkich kabli USB należy wziąć pod uwagę trzy ważne kwestie: szerokość przewodów, odstępy między przewodami i długość kabla.

Wszystko to jest ważne, ale najważniejszym z nich jest upewnienie się, że długości dwóch linii są jak najbardziej dopasowane. Zgodnie z ogólną zasadą, jeśli długości kabli różnią się od siebie o nie więcej niż 50 milicali (dla szybkiego USB), znacznie zwiększa to ryzyko odbicia, co może skutkować słabą komunikacją. Impedancja dopasowania 90 omów to ogólna specyfikacja dla okablowania par różnicowych. Aby osiągnąć ten cel, trasowanie powinno być zoptymalizowane pod względem szerokości i odstępów.

Rysunek 5 pokazuje przykład pary różnicowej do okablowania szybkich interfejsów USB, która zawiera okablowanie o szerokości 12 mil w odstępach 15 mil.

Interfejsy dla komponentów opartych na pamięci, które zawierają interfejsy równoległe (takie jak DDR3-SDRAM), będą bardziej ograniczone pod względem długości przewodów. Większość wysokiej klasy oprogramowania do projektowania płytek drukowanych ma możliwość regulacji długości, która optymalizuje długość linii, aby dopasować wszystkie istotne sygnały w szynie równoległej. Rysunek 6 przedstawia przykład układu DDR3 z okablowaniem do regulacji długości.

Ślady i płaszczyzny wypełnienia gruntu

Niektóre aplikacje z elementami wrażliwymi na zakłócenia, takimi jak układy bezprzewodowe lub anteny, mogą wymagać dodatkowej ochrony. Projektowanie okablowania i samolotów z osadzonymi otworami uziemiającymi może znacznie pomóc w zminimalizowaniu sprzężenia pobliskiego okablowania lub wybierania samolotu i sygnałów spoza płyty, które wpełzają na krawędzie płyty.

Rysunek 7 pokazuje przykład modułu Bluetooth umieszczonego w pobliżu krawędzi płytki, z anteną (poprzez nadrukowane na ekranie oznaczenia „ANT”) poza grubą linią zawierającą wbudowane otwory przelotowe połączone z formacją gruntową. Pomaga to odizolować antenę od innych obwodów i samolotów na pokładzie.

Ta alternatywna metoda prowadzenia przez ziemię (w tym przypadku płaszczyzna wielokątna) może być wykorzystana do ochrony obwodu płyty przed zewnętrznymi sygnałami bezprzewodowymi spoza płyty. Rysunek 8 przedstawia wrażliwą na zakłócenia płytkę drukowaną z uziemioną płaszczyzną osadzoną z otworem przelotowym wzdłuż obwodu płytki.

Najlepsze praktyki dotyczące okablowania PCB

Wiele czynników determinuje charakterystykę okablowania pola PCB, więc pamiętaj, aby postępować zgodnie z najlepszymi praktykami podczas okablowania następnej płytki PCB, a znajdziesz równowagę między kosztami fabrycznymi PCB, gęstością obwodów i ogólną wydajnością.