Значај ширине линије ПЦБ -а у дизајну ПЦБ -а

Шта је ширина линије?

Почнимо са основама. Шта је тачно ширина трага? Зашто је важно навести одређену ширину трага? Сврха ПЦБ- ожичење је за повезивање било које врсте електричног сигнала (аналогног, дигиталног или напајања) са једног чвора на други.

Чвор може бити пин компоненте, грана већег трага или равни или празна подлога или испитна тачка за сондирање. Ширине трагова се обично мере у миљима или хиљадама инча. Стандардне ширине ожичења за обичне сигнале (без посебних захтева) могу бити дугачке неколико инча у распону од 7-12 миља, али приликом дефинисања ширине и дужине ожичења треба узети у обзир многе факторе.

ипцб

Апликација обично покреће ширину ожичења и врсту ожичења у дизајну ПЦБ -а и, у неком тренутку, обично уравнотежује трошкове производње ПЦБ -а, густину/величину плоче и перформансе. Ако плоча има посебне захтјеве за дизајн, као што су оптимизација брзине, потискивање буке или спрезања, или велика струја/напон, ширина и тип трага могу бити важнији од оптимизације производних трошкова голе ПЦБ -а или укупне величине плоче.

Спецификације које се односе на ожичење у производњи ПЦБ -а

Обично следеће спецификације везане за ожичење почињу повећавати трошкове производње голих ПЦБС -а.

Због строжих толеранција ПЦБ-а и врхунске опреме потребне за производњу, преглед или тестирање ПЦБС-а, трошкови постају прилично високи:

Л Ширина трагова мања од 5 мил (0.005 ин.)

Л Размак трагова мањи од 5 миља

Л Кроз рупе пречника мање од 8 мил

Л Дебљина трагова мања или једнака 1 унци (једнака 1.4 миља)

Л Диференцијални пар и контролисана дужина или импеданса ожичења

Дизајни велике густине који комбинују заузимање простора на ПЦБ-у, као што су врло фино распоређени БГА или паралелне магистрале са великим бројем сигнала, могу захтевати ширину линије од 2.5 мил, као и посебне врсте пролазних рупа пречника до 6 мил. као ласерски избушене микро-рупе. Насупрот томе, неки дизајни велике снаге могу захтевати веома велике каблове или равни, трошећи читаве слојеве и сипајући унце које су дебље од стандардних. У апликацијама са ограниченим простором, могу бити потребне врло танке плоче које садрже неколико слојева и ограничену дебљину ливења од пола унце (дебљине 0.7 милиметара).

У другим случајевима, пројекти за брзу комуникацију с једне периферије на другу могу захтијевати ожичење с контролираном импедансом и специфичним ширинама и размаком један од другог како би се смањила рефлексија и индуктивна спрега. Или дизајн може захтевати одређену дужину како би одговарао другим релевантним сигналима у магистрали. Примене високог напона захтевају одређене безбедносне карактеристике, попут минимизирања растојања између два изложена диференцијална сигнала како би се спречило стварање лука. Без обзира на карактеристике или карактеристике, праћење дефиниција је важно, па хајде да истражимо различите апликације.

Различите ширине и дебљине ожичења

ПЦБС обично садрже различите ширине линија, јер зависе од захтева сигнала (видети слику 1). Приказани финији трагови су за сигнале нивоа ТТЛ (транзистор-транзисторска логика) опште намене и немају посебне захтеве за високу струју или заштиту од буке.

Ово ће бити најчешћи типови ожичења на плочи.

Дебље ожичење оптимизовано је за носивост струје и може се користити за периферне уређаје или функције повезане са напајањем које захтевају већу снагу, као што су вентилатори, мотори и редован пренос снаге на компоненте нижег нивоа. Горњи леви део слике чак приказује и диференцијални сигнал (УСБ велике брзине) који дефинише одређени размак и ширину како би се испунили захтеви импедансе од 90 ω. Слика 2 приказује мало гушћу плочу која има шест слојева и за коју је потребан склоп БГА (решеткаста кугла) који захтева финије ожичење.

Како израчунати ширину линије ПЦБ -а?

Прођимо кроз процес израчунавања одређене ширине трага за сигнал напајања који преноси струју са компоненте напајања на периферни уређај. У овом примеру израчунаћемо минималну ширину линије пута напајања за мотор једносмерне струје. Путања напајања почиње од осигурача, прелази преко Х-моста (компонента која се користи за управљање преносом енергије преко намотаја једносмерног мотора) и завршава се на конектору мотора. Просјечна континуирана максимална струја потребна за истосмјерни мотор је око 2 ампера.

Сада ожичење ПЦБ -а дјелује као отпорник, а што је ожичење дуже и уже, додаје се већи отпор. Ако ожичење није правилно дефинирано, велика струја може оштетити ожичење и/или узроковати значајан пад напона на мотору (што резултира смањеном брзином). НетЦ21_2 приказан на слици 3 дугачак је око 0.8 инча и треба да носи максималну струју од 2 ампера. Ако претпоставимо неке опште услове, као што је 1 унца изливања бакра и собна температура током нормалног рада, морамо израчунати минималну ширину цеви и очекивани пад притиска на тој ширини.

Како израчунати отпор ожичења ПЦБ -а?

Следећа једначина се користи за површину трага:

Подручје [Милс ²] = (струја [Ампера] / (К * (Подизање_температуре [° Ц]) ^ б)) ^ (1 / Ц), које следи ИПЦ критеријум спољног слоја (или горњи / доњи), к = 0.048, б = 0.44, Ц = 0.725. Имајте на уму да је једина променљива коју заиста морамо уметнути тренутна.

Коришћењем овог региона у следећој једначини добићемо потребну ширину која нам говори ширину линије потребну за ношење струје без икаквих потенцијалних проблема:

Ширина [Милс] = површина [Милс ^ 2] / (дебљина [оз] * 1.378 [милс / оз]), при чему се 1.378 односи на стандардну дебљину изливања од 1 оз.

Убацивањем 2 ампера струје у горњи прорачун добијамо најмање 30 мил ожичења.

Али то нам не говори колики ће бити пад напона. Ово је више укључено јер треба израчунати отпор жице, што се може учинити према формули приказаној на слици 4.

У овој формули, ρ = отпорност бакра, α = температурни коефицијент бакра, Т = дебљина трага, В = ширина трага, Л = дужина трага, Т = температура. Ако су све релевантне вредности уметнуте у 0.8 “дужине 30милс ширине, открићемо да је отпор ожичења око 0.03? Смањује напон за око 26 мВ, што је у реду за ову апликацију. Корисно је знати шта утиче на ове вредности.

Размак и дужина кабла за ПЦБ

За дигиталне дизајне са комуникацијама велике брзине, можда ће бити потребни одређени размаци и прилагођене дужине како би се смањили преслушавање, повезивање и рефлексија. У ту сврху, неке уобичајене апликације су серијски диференцијални сигнали засновани на УСБ-у и паралелни диференцијални сигнали засновани на РАМ-у. Обично ће УСБ 2.0 захтевати диференцијално усмеравање на 480Мбит/с (УСБ класа велике брзине) или више. То је делимично и због тога што УСБ велике брзине обично ради на много нижим напонима и разликама, што укупни ниво сигнала приближава позадинској буци.

Три су важне ствари које треба узети у обзир при постављању УСБ кабела велике брзине: ширина жице, размак електрода и дужина кабела.

Све ово је важно, али најкритичније од три је да се уверите да се дужине две линије подударају што је више могуће. Опште правило, ако се дужине каблова међусобно не разликују за највише 50 миља (за УСБ велике брзине), ово значајно повећава ризик од рефлексије, што може довести до лоше комуникације. Одговарајућа импеданса од 90 охма општа је спецификација за ожичење парова диференцијала. Да би се постигао овај циљ, рутирање треба оптимизовати по ширини и размаку.

Слика 5 приказује пример диференцијалног пара за ожичење УСБ интерфејса велике брзине који садржи ожичење ширине 12 мил у интервалима од 15 мил.

Интерфејси за компоненте засноване на меморији које садрже паралелне интерфејсе (попут ДДР3-СДРАМ) биће ограниченије у погледу дужине жице. Већина врхунских софтвера за дизајн ПЦБ-а имаће могућности подешавања дужине које оптимизују дужину линије тако да одговарају свим релевантним сигналима у паралелној магистрали. Слика 6 приказује пример распореда ДДР3 са ожичењем за подешавање дужине.

Трагови и равни испуне тла

Неке апликације са компонентама осетљивим на буку, попут бежичних чипова или антена, могу захтевати мало додатне заштите. Дизајнирање ожичења и равни са уграђеним рупама за уземљење може увелико помоћи у смањењу спајања оближњих ожичења или сигнала за одабир авиона и сигнала који се увлаче у ивице плоче.

На слици 7 приказан је пример Блуетоотх модула постављеног близу ивице плоче, са његовом антеном (преко сито штампаних ознака „АНТ“) изван дебеле линије која садржи уграђене рупе повезане са тлом. Ово помаже у изолацији антене од других уграђених кола и равни.

Ова алтернативна метода усмеравања кроз земљу (у овом случају полигонална раван) може се користити за заштиту кола плоче од спољашњих бежичних сигнала са плоче. Слика 8 приказује ПЦБ осетљив на буку са уземљеном равнином уграђеном кроз рупу дуж периферије плоче.

Најбоље праксе за ожичење ПЦБ -а

Карактеристике ожичења поља ПЦБ -а одређују многи фактори, па се придржавајте најбољих пракси приликом повезивања следеће ПЦБ -а, па ћете пронаћи равнотежу између цене фабричке плоче, густине кола и укупних перформанси.