Ce este lățimea liniei?

Să începem cu elementele de bază. Ce este exact lățimea urmelor? De ce este important să specificați o anumită lățime de urmărire? Scopul PCB cablarea este de a conecta orice tip de semnal electric (analogic, digital sau de alimentare) de la un nod la altul.

Un nod poate fi un pin al unei componente, o ramură a unei urme sau a unui plan mai mare sau un tampon gol sau un punct de testare pentru sondare. Lățimile urmelor sunt de obicei măsurate în mil sau mii de inci. Lățimile de cablare standard pentru semnalele obișnuite (fără cerințe speciale) pot avea o lungime de câțiva centimetri în intervalul 7-12 mils, dar ar trebui luați în considerare mulți factori la definirea lățimii și lungimii cablajului.

Aplicația controlează în mod obișnuit lățimea cablajului și tipul de cablare în proiectarea PCB și, la un moment dat, echilibrează de obicei costurile de fabricație a PCB-ului, densitatea / dimensiunea plăcii și performanța. Dacă placa are cerințe de proiectare specifice, cum ar fi optimizarea vitezei, suprimarea zgomotului sau a cuplajului sau curent / tensiune ridicată, lățimea și tipul urmelor pot fi mai importante decât optimizarea costului de fabricație al unui PCB gol sau a dimensiunii globale a plăcii.

Specificații referitoare la cablarea în fabricarea PCB

De obicei, următoarele specificații legate de cabluri încep să crească costul de fabricație a PCBS-ului.

Datorită toleranțelor PCB mai stricte și a echipamentelor de ultimă generație necesare pentru fabricarea, inspecția sau testarea PCBS, costurile devin destul de ridicate:

L Lățimea urmelor mai mică de 5 mil (0.005 in.)

L Urmați distanța mai mică de 5 mil

L Găuri prin diametru mai mic de 8 mil

L Grosimea urmelor mai mică sau egală cu 1 uncie (egală cu 1.4 mils)

L Pereche diferențială și lungime controlată sau impedanță de cablare

Proiectele de înaltă densitate care combină preluarea spațiului PCB, cum ar fi BGA foarte distanțate sau magistrale paralele cu număr mare de semnal, pot necesita o lățime de linie de 2.5 mil, precum și tipuri speciale de găuri traversante cu diametre de până la 6 mil, precum ca găuri de microtratare forate cu laser. În schimb, unele modele de mare putere pot necesita cabluri sau avioane foarte mari, consumând straturi întregi și turnând uncii care sunt mai groase decât standardul. În aplicații cu spațiu limitat, pot fi necesare plăci foarte subțiri care conțin mai multe straturi și o grosime limitată de turnare a cuprului de o jumătate de uncie (0.7 mil grosime).

În alte cazuri, proiectele pentru comunicații de mare viteză de la un periferic la altul pot necesita cabluri cu impedanță controlată și lățimi specifice și distanțe între ele pentru a minimiza reflexia și cuplarea inductivă. Sau proiectarea poate necesita o anumită lungime pentru a se potrivi cu alte semnale relevante din autobuz. Aplicațiile de înaltă tensiune necesită anumite caracteristici de siguranță, cum ar fi minimizarea distanței dintre două semnale diferențiale expuse pentru a preveni arcarea. Indiferent de caracteristici sau caracteristici, trasarea definițiilor este importantă, deci să explorăm diverse aplicații.

Diverse lățimi și grosimi de cabluri

PCBS conține de obicei o varietate de lățimi de linie, deoarece acestea depind de cerințele de semnal (vezi Figura 1). Urmele mai fine prezentate sunt pentru semnale de nivel TTL (tranzistor-tranzistor) de uz general și nu au cerințe speciale pentru protecția la curent ridicat sau la zgomot.

Acestea vor fi cele mai comune tipuri de cabluri de pe placă.

Cablajul mai gros a fost optimizat pentru capacitatea de încărcare curentă și poate fi utilizat pentru periferice sau funcții legate de energie care necesită o putere mai mare, cum ar fi ventilatoare, motoare și transferuri regulate de putere către componente de nivel inferior. Partea din stânga sus a figurii arată chiar un semnal diferențial (USB de mare viteză) care definește o distanță și o lățime specifice pentru a îndeplini cerințele de impedanță de 90 ω. Figura 2 prezintă o placă de circuit ușor mai densă, care are șase straturi și necesită un ansamblu BGA (bilă grilă) care necesită cabluri mai fine.

Cum se calculează lățimea liniei PCB?

Să trecem prin procesul de calcul al unei anumite lățimi de urmărire pentru un semnal de alimentare care transferă curent de la o componentă de putere la un dispozitiv periferic. În acest exemplu, vom calcula lățimea minimă a liniei căii de alimentare pentru un motor de curent continuu. Calea de alimentare pornește de la siguranță, traversează podul H (componenta utilizată pentru a gestiona transmisia de energie prin înfășurările motorului DC) și se termină la conectorul motorului. Curentul maxim continuu mediu necesar unui motor DC este de aproximativ 2 amperi.

Acum, cablajul PCB acționează ca un rezistor și, cu cât cablajul este mai lung și mai îngust, cu atât se adaugă mai multă rezistență. Dacă cablajul nu este definit corect, curentul mare poate deteriora cablajul și / sau poate provoca o cădere semnificativă de tensiune la motor (rezultând o viteză redusă). NetC21_2 prezentat în Figura 3 are aproximativ 0.8 inci lungime și trebuie să transporte un curent maxim de 2 amperi. Dacă presupunem unele condiții generale, cum ar fi 1 uncie de turnare a cuprului și temperatura camerei în timpul funcționării normale, trebuie să calculăm lățimea minimă a liniei și căderea de presiune așteptată la acea lățime.

Cum se calculează rezistența cablajului PCB?

Următoarea ecuație este utilizată pentru zona de urmărire:

Zona [Mils²] = (curent [Amperi] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), care urmează criteriul stratului exterior IPC (sau superior / inferior), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Rețineți că singura variabilă pe care trebuie să o inserăm este curentă.

Utilizarea acestei regiuni în următoarea ecuație ne va oferi lățimea necesară care ne indică lățimea liniei necesare pentru a transporta curentul fără probleme potențiale:

Lățime [Mils] = suprafață [Mils ^ 2] / (grosime [oz] * 1.378 [mils / oz]), unde 1.378 este legată de grosimea standard de turnare de 1 oz.

Prin inserarea a 2 amperi de curent în calculul de mai sus, obținem un cablu de cel puțin 30 de mili.

Dar asta nu ne spune care va fi căderea de tensiune. Acest lucru este mai implicat, deoarece trebuie să calculeze rezistența firului, care se poate face conform formulei prezentate în Figura 4.

În această formulă, ρ = rezistivitatea cuprului, α = coeficientul de temperatură al cuprului, T = grosimea urmelor, W = lățimea urmelor, L = lungimea urmelor, T = temperatura. Dacă toate valorile relevante sunt inserate într-o lungime de 0.8 “lungime de 30mils lățime, vom constata că rezistența cablării este de aproximativ 0.03? Și scade tensiunea cu aproximativ 26mV, ceea ce este bine pentru această aplicație. Este util să știm ce afectează aceste valori.

Distanța și lungimea cablurilor PCB

Pentru proiectele digitale cu comunicații de mare viteză, pot fi necesare distanțe specifice și lungimi ajustate pentru a minimiza diafragma, cuplarea și reflexia. În acest scop, unele aplicații obișnuite sunt semnale diferențiale seriale bazate pe USB și semnale diferențiale paralele bazate pe RAM. De obicei, USB 2.0 va necesita rutare diferențială la 480Mbit / s (clasa USB de mare viteză) sau mai mare. Acest lucru se datorează în parte faptului că USB-ul de mare viteză funcționează de obicei la tensiuni și diferențe mult mai mici, aducând nivelul general al semnalului mai aproape de zgomotul de fond.

Există trei lucruri importante de luat în considerare atunci când treceți cabluri USB de mare viteză: lățimea firului, distanța dintre cabluri și lungimea cablului.

Toate acestea sunt importante, dar cel mai critic dintre cele trei este să vă asigurați că lungimile celor două linii se potrivesc cât mai mult posibil. Ca regulă generală, dacă lungimile cablurilor diferă între ele cu cel mult 50 mil (pentru USB de mare viteză), acest lucru crește semnificativ riscul de reflexie, ceea ce poate duce la o comunicare slabă. Impedanța de potrivire de 90 ohmi este o specificație generală pentru cablarea perechii diferențiale. Pentru a atinge acest obiectiv, rutare ar trebui să fie optimizată în lățime și spațiu.

Figura 5 prezintă un exemplu de pereche diferențială pentru cablarea interfețelor USB de mare viteză care conține cabluri de 12 mil lățime la intervale de 15 mil.

Interfețele pentru componentele bazate pe memorie care conțin interfețe paralele (cum ar fi DDR3-SDRAM) vor fi mai constrânse în ceea ce privește lungimea firului. Majoritatea software-urilor de design PCB de ultimă generație vor avea capacități de reglare a lungimii care optimizează lungimea liniei pentru a se potrivi cu toate semnalele relevante din magistrala paralelă. Figura 6 prezintă un exemplu de aspect DDR3 cu cabluri de reglare a lungimii.

Urme și planuri de umplere a solului

Unele aplicații cu componente sensibile la zgomot, cum ar fi cipuri wireless sau antene, pot necesita o protecție suplimentară. Proiectarea cablajelor și a avioanelor cu găuri de sol încorporate poate ajuta la minimizarea cuplării cablajelor din apropiere sau a alegerii avioanelor și a semnalelor off-board care se târăsc în marginile plăcii.

Figura 7 prezintă un exemplu de modul Bluetooth amplasat lângă marginea plăcii, cu antena sa (prin marcajele „ANT” serigrafiate) în afara unei linii groase care conține găuri de trecere încorporate conectate la formațiunea solului. Acest lucru ajută la izolarea antenei de alte circuite și avioane de la bord.

Această metodă alternativă de rutare prin sol (în acest caz un plan poligonal) poate fi utilizată pentru a proteja circuitul plăcii de semnalele wireless externe off-board. Figura 8 prezintă un PCB sensibil la zgomot, cu un plan încorporat prin gaură prin împământare de-a lungul periferiei plăcii.

Cele mai bune practici pentru cablarea PCB

Mulți factori determină caracteristicile cablării câmpului PCB, deci asigurați-vă că urmați cele mai bune practici atunci când conectați următorul PCB și veți găsi un echilibru între costul fabricat al PCB-ului, densitatea circuitului și performanța generală.