Dôležitosť šírky vedenia DPS v dizajne DPS

Aká je šírka čiary?

Začnime základmi. Čo je to vlastne stopová šírka? Prečo je dôležité špecifikovať konkrétnu šírku stopy? Účelom PCB zapojenie je na pripojenie akéhokoľvek druhu elektrického signálu (analógového, digitálneho alebo napájacieho) z jedného uzla k druhému.

Uzlom môže byť kolík súčiastky, vetva väčšej stopy alebo roviny alebo prázdna podložka alebo testovací bod na sondovanie. Šírky stopy sa zvyčajne merajú v milách alebo tisícoch palcov. Štandardné šírky vodičov pre bežné signály (žiadne špeciálne požiadavky) môžu mať niekoľko palcov v rozsahu 7 až 12 mil, ale pri definovaní šírky a dĺžky zapojenia je potrebné vziať do úvahy mnoho faktorov.

ipcb

Aplikácia typicky riadi šírku zapojenia a typ zapojenia pri návrhu DPS a v určitom okamihu zvyčajne vyvažuje výrobné náklady na PCB, hustotu/veľkosť dosky a výkon. Ak má doska špecifické konštrukčné požiadavky, ako je optimalizácia rýchlosti, potlačenie šumu alebo spojenia alebo vysoký prúd/napätie, šírka a typ stopy môžu byť dôležitejšie ako optimalizácia výrobných nákladov na holú dosku plošných spojov alebo celkovú veľkosť dosky.

Špecifikácia týkajúca sa zapojenia pri výrobe DPS

Nasledujúce špecifikácie súvisiace s kabelážou zvyčajne začínajú zvyšovať náklady na výrobu holých PCBS.

Vzhľadom na prísnejšie tolerancie PCB a špičkové vybavenie potrebné na výrobu, kontrolu alebo testovanie PCBS sú náklady dosť vysoké:

L Šírka stopy menšia ako 5 mil (0.005 palca)

L Vzdialenosť medzi stopami menej ako 5 mil

L Priechodné otvory s priemerom menším ako 8 mil

L Hrúbka stopy menšia alebo rovná 1 unci (rovná sa 1.4 mils)

L Diferenciálny pár a riadená dĺžka alebo impedancia zapojenia

Dizajn s vysokou hustotou, ktorý kombinuje odoberanie priestoru PCB, ako napríklad veľmi jemne rozmiestnené BGA alebo paralelné zbernice s vysokým počtom signálov, môže vyžadovať šírku čiary 2.5 mil., Ako aj špeciálne typy priechodných otvorov s priemerom až 6 mil. ako laserom vŕtané mikropriechodné otvory. Naopak, niektoré vysokovýkonné konštrukcie môžu vyžadovať veľmi veľké rozvody alebo roviny, ktoré spotrebúvajú celé vrstvy a nalievajú unce, ktoré sú hrubšie ako štandardné. V priestorovo obmedzených aplikáciách môžu byť potrebné veľmi tenké platne obsahujúce niekoľko vrstiev a obmedzenú hrúbku odliatka medi na pol unce (hrúbka 0.7 mil).

V iných prípadoch môžu návrhy na vysokorýchlostnú komunikáciu z jedného periférneho zariadenia na druhé vyžadovať zapojenie s riadenou impedanciou a špecifickými šírkami a vzájomnými rozstupmi, aby sa minimalizoval odraz a induktívna väzba. Alebo konštrukcia môže vyžadovať určitú dĺžku, aby zodpovedala iným relevantným signálom v zbernici. Aplikácie vysokého napätia vyžadujú určité bezpečnostné funkcie, ako napríklad minimalizáciu vzdialenosti medzi dvoma exponovanými diferenciálnymi signálmi, aby sa zabránilo oblúku. Bez ohľadu na vlastnosti alebo vlastnosti je sledovanie definícií dôležité, preskúmajme teda rôzne aplikácie.

Rôzne šírky a hrúbky vodičov

PCBS typicky obsahuje rôzne šírky riadkov, pretože závisia od požiadaviek na signál (pozri obrázok 1). Jemnejšie zobrazené stopy sú určené pre všeobecné signály úrovne TTL (tranzistor-tranzistorová logika) a nemajú žiadne špeciálne požiadavky na ochranu pred vysokým prúdom alebo hlukom.

Toto budú najbežnejšie typy zapojenia na doske.

Hrubšie zapojenie bolo optimalizované pre prúdovú zaťažiteľnosť a môže byť použité pre periférie alebo funkcie súvisiace s napájaním, ktoré vyžadujú vyšší výkon, ako sú ventilátory, motory a pravidelné prenosy energie do komponentov nižšej úrovne. Ľavá horná časť obrázku dokonca zobrazuje diferenciálny signál (vysokorýchlostný USB), ktorý definuje konkrétny rozstup a šírku tak, aby spĺňal požiadavky na impedanciu 90 ω. Na obrázku 2 je znázornená mierne hustejšia doska plošných spojov, ktorá má šesť vrstiev a vyžaduje zostavu BGA (ball grid array), ktorá vyžaduje jemnejšie zapojenie.

Ako vypočítať šírku riadka DPS?

Prejdeme sa krokom výpočtu určitej šírky stopy pre výkonový signál, ktorý prenáša prúd z výkonového komponentu na periférne zariadenie. V tomto prípade vypočítame minimálnu šírku čiary silovej cesty pre jednosmerný motor. Cesta napájania začína na poistke, prechádza cez H-mostík (komponent používaný na riadenie prenosu energie cez vinutia jednosmerného motora) a končí na konektore motora. Priemerný trvalý maximálny prúd požadovaný jednosmerným motorom je asi 2 ampéry.

Kábel plošného spoja funguje ako odpor a čím dlhšie a užšie zapojenie, tým väčší odpor. Ak zapojenie nie je správne definované, vysoký prúd môže poškodiť vedenie a/alebo spôsobiť výrazný pokles napätia v motore (čo má za následok zníženie rýchlosti). NetC21_2 zobrazený na obrázku 3 je dlhý asi 0.8 palca a musí prenášať maximálny prúd 2 ampéry. Ak predpokladáme niektoré všeobecné podmienky, ako napríklad 1 unca liatia medi a izbová teplota počas normálnej prevádzky, musíme vypočítať minimálnu šírku čiary a očakávaný pokles tlaku pri tejto šírke.

Ako vypočítať odpor zapojenia DPS?

Nasledujúca rovnica sa používa pre oblasť stopy:

Plocha [Mils ²] = (aktuálna [Ampéry] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), ktorá nasleduje po kritériu vonkajšej vrstvy IPC (alebo hornej / spodnej), k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Všimnite si toho, že jediná premenná, ktorú skutočne potrebujeme vložiť, je aktuálna.

Použitie tejto oblasti v nasledujúcej rovnici nám poskytne potrebnú šírku, ktorá nám povie šírku čiary potrebnú na prenos prúdu bez akýchkoľvek potenciálnych problémov:

Šírka [Mils] = plocha [Mils ^ 2] / (hrúbka [oz] * 1.378 [mils / oz]), kde 1.378 súvisí so štandardnou hrúbkou odlievania 1 oz.

Vložením 2 ampérov prúdu do vyššie uvedeného výpočtu získame minimálne 30 mils vedenia.

To nám však nehovorí, aký bude pokles napätia. Je to viac zapojené, pretože potrebuje vypočítať odpor drôtu, ktorý je možné vykonať podľa vzorca uvedeného na obrázku 4.

V tomto vzorci ρ = ​​rezistivita medi, α = teplotný koeficient medi, T = hrúbka stopy, W = šírka stopy, L = dĺžka stopy, T = teplota. Ak sú všetky relevantné hodnoty vložené do 0.8 “dĺžky so šírkou 30 miliónov, zistíme, že odpor vedenia je asi 0.03? A znižuje napätie asi o 26 mV, čo je pre túto aplikáciu v poriadku. Je užitočné vedieť, čo tieto hodnoty ovplyvňuje.

Rozstup a dĺžka káblov plošných spojov

Pri digitálnych prevedeniach s vysokorýchlostnou komunikáciou môžu byť požadované špecifické medzery a upravené dĺžky, aby sa minimalizoval presluch, spojka a odraz. Na tento účel sú niektorými bežnými aplikáciami sériové diferenciálne signály na báze USB a paralelné diferenciálne signály na báze RAM. Rozhranie USB 2.0 zvyčajne vyžaduje diferenciálne smerovanie 480 Mbit/s (vysokorýchlostná trieda USB) alebo vyššie. Je to čiastočne preto, že vysokorýchlostné USB zvyčajne pracuje s oveľa nižšími napätiami a rozdielmi, čím sa celková úroveň signálu približuje k šumu v pozadí.

Pri smerovaní vysokorýchlostných káblov USB je potrebné vziať do úvahy tri dôležité veci: šírku vodiča, vzdialenosť medzi káblami a dĺžku kábla.

Všetky tieto skutočnosti sú dôležité, ale najdôležitejšou z nich je zaistiť, aby sa dĺžky dvoch línií zhodovali čo najviac. Všeobecne platí, že ak sa dĺžky káblov navzájom líšia nie viac ako 50 mil (pre vysokorýchlostné USB), výrazne to zvyšuje riziko odrazu, čo môže mať za následok zlú komunikáciu. 90 ohmová zhodná impedancia je všeobecnou špecifikáciou pre zapojenie diferenciálnych párov. Aby sa dosiahol tento cieľ, smerovanie by malo byť optimalizované na šírku a rozstupy.

Obrázok 5 zobrazuje príklad diferenciálneho páru na zapojenie vysokorýchlostných rozhraní USB, ktorý obsahuje 12 mil široké zapojenie v 15 mil intervaloch.

Rozhrania pre pamäťové komponenty, ktoré obsahujú paralelné rozhrania (ako napríklad DDR3-SDRAM), budú z hľadiska dĺžky drôtu obmedzenejšie. Väčšina špičkového softvéru pre návrh PCB bude mať možnosti nastavenia dĺžky, ktoré optimalizujú dĺžku linky tak, aby zodpovedala všetkým relevantným signálom v paralelnej zbernici. Obrázok 6 zobrazuje príklad rozloženia DDR3 s zapojením na úpravu dĺžky.

Stopy a roviny zemnej výplne

Niektoré aplikácie s komponentmi citlivými na hluk, ako sú bezdrôtové čipy alebo antény, môžu vyžadovať trochu dodatočnej ochrany. Navrhovanie káblov a lietadiel so zabudovanými uzemňovacími otvormi môže výrazne pomôcť minimalizovať prepojenie blízkych káblov alebo snímania rovín a signálov mimo palubu, ktoré sa plazia po okrajoch dosky.

Obrázok 7 zobrazuje príklad modulu Bluetooth umiestneného blízko okraja platne s anténou (cez sieťotlačené označenia „ANT“) mimo hrubú čiaru obsahujúcu zabudované priechodné otvory spojené s formáciou zeme. To pomáha izolovať anténu od ostatných palubných obvodov a lietadiel.

Tento alternatívny spôsob smerovania po zemi (v tomto prípade polygonálna rovina) môže byť použitý na ochranu obvodu dosky pred vonkajšími vonkajšími signálmi mimo siete. Obrázok 8 zobrazuje dosku plošných spojov citlivú na hluk s uzemnenou rovinou zapustenou dierou pozdĺž obvodu dosky.

Osvedčené postupy pre zapojenie DPS

Charakteristiky zapojenia poľa plošných spojov určuje mnoho faktorov, preto pri zapojovaní ďalšej dosky plošných spojov dodržiavajte osvedčené postupy a nájdete rovnováhu medzi výrobnými nákladmi na plošné spoje, hustotou obvodov a celkovým výkonom.