Com o aumento da velocidade de PCB comutação de sinal, os designers de PCB de hoje precisam entender e controlar a impedância dos traços de PCB. Correspondendo aos tempos de transmissão de sinal mais curtos e taxas de clock mais altas dos circuitos digitais modernos, os traços de PCB não são mais conexões simples, mas linhas de transmissão.

Como controlar a impedância do PCB

Na prática, é necessário controlar a impedância do traço quando a velocidade marginal digital excede 1ns ou a frequência analógica excede 300Mhz. Um dos principais parâmetros de um traçado de PCB é sua impedância característica (a razão entre a tensão e a corrente conforme a onda viaja ao longo da linha de transmissão do sinal). A impedância característica do fio na placa de circuito impresso é um índice importante do projeto da placa de circuito, especialmente no projeto PCB do circuito de alta frequência, deve-se considerar se a impedância característica do fio é consistente com a impedância característica exigida pelo dispositivo ou sinal. Isso envolve dois conceitos: controle de impedância e casamento de impedância. Este artigo enfoca o controle de impedância e o projeto de laminação.

Controle de impedância

Controle de impedância, o condutor na placa de circuito terá todos os tipos de transmissão de sinal, a fim de melhorar a taxa de transmissão e deve aumentar sua frequência, se a própria linha devido a corrosão, espessura de empilhamento, largura do fio e outros fatores diferentes, causar alteração do valor da impedância, a distorção do sinal. Portanto, o valor da impedância do condutor na placa de circuito de alta velocidade deve ser controlado dentro de uma determinada faixa, conhecida como “controle de impedância”.

A impedância de um traço de PCB será determinada por sua indutância indutiva e capacitiva, resistência e coeficiente de condutividade. Os principais fatores que afetam a impedância da fiação do PCB são: a largura do fio de cobre, a espessura do fio de cobre, a constante dielétrica do meio, a espessura do meio, a espessura da almofada, o caminho do fio terra, a fiação ao redor da fiação etc. A impedância do PCB varia de 25 a 120 ohm.

Na prática, uma linha de transmissão de PCB geralmente consiste em um traço, uma ou mais camadas de referência e materiais de isolamento. Traços e camadas formam a impedância de controle. O PCBS geralmente terá várias camadas e a impedância de controle pode ser construída de várias maneiras. No entanto, qualquer que seja o método usado, o valor da impedância será determinado por sua estrutura física e as propriedades elétricas do material isolante:

Largura e espessura do traço do sinal

A altura do núcleo ou do material pré-preenchido em ambos os lados do traço

Configuração de traço e placa

Constantes de isolamento do núcleo e materiais pré-preenchidos

As linhas de transmissão PCB vêm em duas formas principais: Microstrip e Stripline.

Microstrip:

Uma linha de microfita é um condutor de fita com um plano de referência em apenas um lado, com a parte superior e os lados expostos ao ar (ou revestidos), acima da superfície da placa de circuito Er da constante de isolamento, tendo a fonte de alimentação ou o aterramento como referência. Como mostrado abaixo:

Nota: Na fabricação real de PCB, o fabricante da placa geralmente reveste a superfície da PCB com uma camada de óleo verde, portanto, no cálculo de impedância real, o modelo mostrado abaixo é geralmente usado para cálculo de linha de microtira de superfície:

stripline:

Uma linha de fita é uma fita de arame colocada entre dois planos de referência, conforme mostrado na figura abaixo. As constantes dielétricas do dielétrico representado por H1 e H2 podem ser diferentes.

Os dois exemplos acima são apenas uma demonstração típica de linhas de microfita e de fita. Existem muitos tipos de linhas de microfita e de fita específicas, como linhas de microfita revestidas, que estão relacionadas à estrutura laminada específica do PCB.

As equações usadas para calcular as impedâncias características requerem cálculos matemáticos complexos, geralmente usando métodos de solução de campo, incluindo análise de elemento de fronteira, portanto, usando o software de cálculo de impedância especializado SI9000, tudo o que precisamos fazer é controlar os parâmetros das impedâncias características:

Constante dielétrica Er, largura da fiação W1, W2 (trapézio), espessura da fiação T e espessura da camada de isolamento H.

W1, W2:

O valor calculado deve estar dentro da caixa vermelha. E assim por diante.

SI9000 é usado para calcular se os requisitos de controle de impedância são atendidos:

Primeiro calcule o controle de impedância de extremidade única da linha de dados DDR:

Camada SUPERIOR: 0.5 oz de espessura de cobre, 5MIL de largura de fio, 3.8mil de distância do plano de referência, constante dielétrica 4.2. Selecione o modelo, substitua nos parâmetros e selecione Cálculo sem perdas, conforme mostrado na figura:

Cobrir significa revestir e, se não houver revestimento, preencher 0 em espessura e 1 em dielétrico (constante dielétrica) (ar).

Substrato significa camada de substrato, ou seja, camada dielétrica, geralmente usando fr-4, espessura calculada por software de cálculo de impedância, constante dielétrica 4.2 (frequência menor que 1 GHz).

Clique em Peso (oz) para definir a espessura da camada de cobre, que determina a espessura do cabo.

9. Conceito Prepreg / Core de camada de isolamento:

PP (Prepreg) é um tipo de material dielétrico, composto por fibra de vidro e resina epóxi. O núcleo é na verdade um TIPO de meio PP, mas seus dois lados são cobertos com folha de cobre, enquanto o PP não é. Ao fazer placas multicamadas, o núcleo e o PP são geralmente usados ​​juntos, e o PP é usado para a ligação entre o núcleo e o núcleo.

10. Assuntos que precisam de atenção no projeto de laminação de PCB

(1) Problema de distorção

O desenho da camada do PCB deve ser simétrico, ou seja, a espessura da camada média e a camada de cobre de cada camada deve ser simétrica. Pegue seis camadas, por exemplo, a espessura do meio GND superior e do meio de potência inferior deve ser consistente com a espessura do cobre, E a do meio GND-L2 e L3-POWER deve ser consistente com a espessura do cobre. Isso não deformará durante a laminação.

(2) A camada de sinal deve ser fortemente acoplada ao plano de referência adjacente (isto é, a espessura média entre a camada de sinal e a camada de revestimento de cobre adjacente deve ser muito pequena); O curativo de cobre potente e o curativo de cobre aterrado devem ser firmemente acoplados.

(3) No caso de velocidade muito alta, camadas extras podem ser adicionadas para isolar a camada de sinal, mas é recomendado não isolar várias camadas de energia, o que pode causar interferência de ruído desnecessária.

(4) A distribuição de camadas de projeto laminadas típicas é mostrada na tabela a seguir:

(5) Princípios gerais de arranjo de camadas:

Abaixo da superfície do componente (a segunda camada) está o plano de aterramento, que fornece a camada de proteção do dispositivo e o plano de referência para a fiação da camada superior;

Todas as camadas de sinal são adjacentes ao plano do solo, tanto quanto possível.

Evite a adjacência direta entre duas camadas de sinal, tanto quanto possível;

A fonte de alimentação principal deve ser o mais adjacente possível;

A simetria da estrutura do laminado é levada em consideração.

Para o layout da camada da placa-mãe, é difícil para a placa-mãe existente controlar a fiação paralela de longa distância e a frequência de trabalho do nível da placa está acima de 50MHZ

(Para condições abaixo de 50MHZ, consulte-o e relaxe-o adequadamente), o princípio de layout é sugerido:

A superfície do componente e a superfície de soldagem são um plano de aterramento completo (blindagem);

Nenhuma camada de fiação paralela adjacente;

Todas as camadas de sinal são adjacentes ao plano do solo, tanto quanto possível.

O sinal chave é adjacente à formação e não atravessa a zona de segmentação.