Qual é a largura da linha?

Vamos começar com o básico. O que exatamente é a largura do traço? Por que é importante especificar uma largura de traço específica? A finalidade do PCB a fiação serve para conectar qualquer tipo de sinal elétrico (analógico, digital ou de energia) de um nó a outro.

Um nó pode ser um pino de um componente, um ramo de um traço ou plano maior ou um bloco vazio ou ponto de teste para sondagem. As larguras dos traços são geralmente medidas em mils ou milhares de polegadas. As larguras de fiação padrão para sinais comuns (sem requisitos especiais) podem ter várias polegadas de comprimento na faixa de 7-12 mils, mas muitos fatores devem ser considerados ao definir a largura e o comprimento da fiação.

O aplicativo normalmente orienta a largura e o tipo de fiação no design de PCB e, em algum ponto, normalmente equilibra o custo de fabricação da PCB, densidade / tamanho da placa e desempenho. Se a placa tiver requisitos de design específicos, como otimização de velocidade, ruído ou supressão de acoplamento ou alta corrente / tensão, a largura e o tipo de traço podem ser mais importantes do que otimizar o custo de fabricação de um PCB vazio ou o tamanho geral da placa.

Especificação relativa à fiação na fabricação de PCB

Typically, the following specifications related to wiring begin to increase the cost of manufacturing bare PCB.

Projetos de alta densidade que combinam ocupação de espaço de PCB, como BGA muito finamente espaçado ou barramentos paralelos de alta contagem de sinal, podem exigir uma largura de linha de 2.5 mil, bem como tipos especiais de orifícios com diâmetros de até 6 mil, como como micro-orifícios perfurados a laser. Por outro lado, alguns projetos de alta potência podem exigir fiação ou planos muito grandes, consumindo camadas inteiras e despejando onças que são mais grossas do que o padrão. Em aplicações com restrições de espaço, podem ser necessárias placas muito finas contendo várias camadas e uma espessura de fundição de cobre limitada de meia onça (0.7 mil de espessura).

Em outros casos, projetos para comunicação de alta velocidade de um periférico para outro podem exigir fiação com impedância controlada e larguras e espaçamentos específicos entre si para minimizar a reflexão e o acoplamento indutivo. Ou o projeto pode exigir um determinado comprimento para corresponder a outros sinais relevantes no barramento. As aplicações de alta tensão requerem certos recursos de segurança, como minimizar a distância entre dois sinais diferenciais expostos para evitar a formação de arco. Independentemente das características ou recursos, o rastreamento de definições é importante, portanto, vamos explorar vários aplicativos.

Várias larguras e espessuras de fiação

PCBS typically contain a variety of line widths, as they depend on signal requirements. Os traços mais precisos mostrados são para sinais de nível TTL (lógica de transistor-transistor) de uso geral e não têm requisitos especiais para alta corrente ou proteção contra ruído.

Esses serão os tipos de fiação mais comuns na placa.

A fiação mais espessa foi otimizada para capacidade de carga de corrente e pode ser usada para periféricos ou funções relacionadas à energia que requerem maior potência, como ventiladores, motores e transferências regulares de energia para componentes de nível inferior. A parte superior esquerda da figura mostra ainda um sinal diferencial (USB de alta velocidade) que define um espaçamento e largura específicos para atender aos requisitos de impedância de 90 ω. A Figura 2 mostra uma placa de circuito ligeiramente mais densa que tem seis camadas e requer um conjunto BGA (matriz de grade de esferas) que requer uma fiação mais fina.

Como calcular a largura da linha do PCB?

Vamos percorrer o processo de cálculo de uma certa largura de traço para um sinal de energia que transfere corrente de um componente de energia para um dispositivo periférico. Neste exemplo, calcularemos a largura de linha mínima do caminho de energia para um motor CC. O caminho da energia começa no fusível, cruza a ponte H (o componente usado para gerenciar a transmissão de energia pelos enrolamentos do motor CC) e termina no conector do motor. A corrente máxima contínua média exigida por um motor CC é de cerca de 2 amperes.

Agora, a fiação do PCB atua como um resistor e, quanto mais longa e estreita a fiação, mais resistência é adicionada. Se a fiação não for definida corretamente, a alta corrente pode danificar a fiação e / ou causar uma queda significativa de tensão no motor (resultando em velocidade reduzida). Se assumirmos algumas condições gerais, como 1 onça de cobre derramado e temperatura ambiente durante a operação normal, precisamos calcular a largura mínima da linha e a queda de pressão esperada nessa largura.

Espaçamento e comprimento do cabo PCB

Para projetos digitais com comunicações de alta velocidade, espaçamento específico e comprimentos ajustados podem ser necessários para minimizar diafonia, acoplamento e reflexão. Para este propósito, algumas aplicações comuns são sinais diferenciais seriais baseados em USB e sinais diferenciais paralelos baseados em RAM. Normalmente, o USB 2.0 exigirá roteamento diferencial a 480Mbit / s (classe de alta velocidade USB) ou superior. Em parte, isso ocorre porque o USB de alta velocidade normalmente opera com tensões e diferenças muito mais baixas, aproximando o nível geral do sinal do ruído de fundo.

Há três coisas importantes a serem consideradas ao rotear cabos USB de alta velocidade: largura do fio, espaçamento entre cabos e comprimento do cabo.

Todos esses são importantes, mas o mais crítico dos três é garantir que os comprimentos das duas linhas correspondam o máximo possível. As a general rule of thumb, if the lengths of the cables differ from each other by no more than 50 mils, this significantly increases the risk of reflection, which may result in poor communication. A impedância correspondente de 90 ohms é uma especificação geral para fiação de par diferencial. Para atingir esse objetivo, o roteamento deve ser otimizado em largura e espaçamento.

A Figura 5 mostra um exemplo de um par diferencial para fiação de interfaces USB de alta velocidade que contém fiação de 12 mil em intervalos de 15 mil.

Interfaces for memory-based components that contain parallel interfaces will be more constrained in terms of wire length. A maioria dos softwares de design de PCBs de última geração terá recursos de ajuste de comprimento que otimizam o comprimento da linha para corresponder a todos os sinais relevantes no barramento paralelo. A Figura 6 mostra um exemplo de layout DDR3 com cabeamento de ajuste de comprimento.

Traços e planos de enchimento do solo

Alguns aplicativos com componentes sensíveis a ruído, como chips sem fio ou antenas, podem exigir um pouco de proteção extra. Projetar fiação e planos com orifícios de aterramento embutidos pode ajudar muito a minimizar o acoplamento de fiação próxima ou seleção de planos e sinais externos que rastejam nas bordas da placa.

Figure 7 shows an example of a Bluetooth module placed near the edge of the plate, with its antenna outside a thick line containing embedded through-holes connected to the ground formation. Isso ajuda a isolar a antena de outros circuitos e aviões a bordo.

This alternative method of routing through the ground can be used to protect the board circuit from external off-board wireless signals. A Figura 8 mostra uma PCB sensível a ruído com um plano de orifício embutido aterrado ao longo da periferia da placa.

Melhores práticas para fiação PCB

Muitos fatores determinam as características de fiação do campo de PCB, portanto, certifique-se de seguir as práticas recomendadas ao fazer a fiação de sua próxima PCB e você encontrará um equilíbrio entre o custo de fabricação de PCB, densidade do circuito e desempenho geral.