Vad är linjebredd?

Låt oss börja med grunderna. Vad är spårbredd exakt? Varför är det viktigt att ange en specifik spårbredd? Syftet med PCB ledningar är att ansluta någon form av elektrisk signal (analog, digital eller ström) från en nod till en annan.

En nod kan vara en stift av en komponent, en gren av ett större spår eller plan, eller en tom kudde eller testpunkt för sondering. Spårbredder mäts vanligtvis i mils eller tusentals tum. Standardledningsbredder för vanliga signaler (inga speciella krav) kan vara flera tum långa i intervallet 7-12 mil, men många faktorer bör beaktas när du definierar ledningsbredden och längden.

Applikationen driver vanligtvis ledningsbredden och kabeltypen i PCB -konstruktion och balanserar vanligtvis PCB -tillverkningskostnader, kortdensitet/storlek och prestanda. Om kortet har specifika konstruktionskrav, såsom hastighetsoptimering, brus eller kopplingsdämpning, eller hög ström/spänning, kan bredden och typen av spår vara viktigare än att optimera tillverkningskostnaden för en bar PCB eller den totala kortstorleken.

Specifikation avseende kabeldragning i kretskortstillverkning

Normalt börjar följande specifikationer relaterade till ledningar att öka kostnaden för tillverkning av bara PCBS.

På grund av strängare PCB-toleranser och den avancerade utrustning som krävs för tillverkning, inspektion eller testning av PCBS blir kostnaderna ganska höga:

L Spårvidd mindre än 5 mil (0.005 tum)

L Spåravstånd mindre än 5 mil

L Genomgående hål mindre än 8 mil i diameter

L Spårtjocklek mindre än eller lika med 1 ounce (lika med 1.4 mils)

L Differentialpar och kontrollerad längd eller ledningsimpedans

Design med hög densitet som kombinerar PCB-rymdtagning, till exempel mycket fint placerade BGA eller parallella bussar med högt antal signaler, kan kräva en linjebredd på 2.5 mil, liksom speciella typer av genomgående hål med diametrar på upp till 6 mil, t.ex. som laserborrade mikrothål. Omvänt kan vissa kraftfulla konstruktioner kräva mycket stora ledningar eller plan, konsumera hela lager och hälla uns som är tjockare än standard. I rymdbegränsade applikationer kan mycket tunna plattor innehållande flera lager och en begränsad koppartjocklekstjocklek på en halv uns (0.7 mil tjocklek) krävas.

I andra fall kan konstruktioner för höghastighetskommunikation från en kringutrustning till en annan kräva kabeldragning med kontrollerad impedans och specifika bredder och avstånd mellan varandra för att minimera reflektion och induktiv koppling. Eller så kan konstruktionen kräva en viss längd för att matcha andra relevanta signaler i bussen. Högspänningsapplikationer kräver vissa säkerhetsfunktioner, till exempel att minimera avståndet mellan två exponerade differentialsignaler för att förhindra ljusbågning. Oavsett egenskaper eller funktioner är spårningsdefinitioner viktiga, så låt oss utforska olika applikationer.

Olika ledningsbredder och tjocklekar

PCBS innehåller vanligtvis en mängd olika linjebredder, eftersom de är beroende av signalkrav (se figur 1). De finare spåren är avsedda för TTL-nivåer (transistor-transistor logic) för allmänna ändamål och har inga speciella krav för hög ström eller brusskydd.

Dessa kommer att vara de vanligaste ledningstyperna på kortet.

Tjockare ledningar har optimerats för nuvarande bärförmåga och kan användas för kringutrustning eller effektrelaterade funktioner som kräver högre effekt, såsom fläktar, motorer och regelbundna kraftöverföringar till komponenter på lägre nivå. Den övre vänstra delen av figuren visar till och med en differentialsignal (USB-höghastighet) som definierar ett specifikt avstånd och en bredd för att uppfylla impedanskraven på 90 ω. Figur 2 visar ett något tätare kretskort som har sex lager och kräver en BGA -enhet (ball grid array) som kräver finare ledningar.

Hur beräknar man PCB -linjebredden?

Låt oss gå igenom processen för att beräkna en viss spårbredd för en effektsignal som överför ström från en strömkomponent till en kringutrustning. I det här exemplet kommer vi att beräkna den minsta linjebredden för strömbanan för en likströmsmotor. Kraftbanan börjar vid säkringen, korsar H-bron (komponenten som används för att hantera kraftöverföring över likströmsmotorlindningarna) och slutar vid motorns kontaktdon. Den genomsnittliga kontinuerliga maximala strömmen som krävs av en likströmsmotor är cirka 2 ampere.

Nu fungerar PCB -ledningar som ett motstånd, och ju längre och smalare ledningarna är, desto mer motstånd läggs till. Om ledningarna inte är korrekt definierade kan den höga strömmen skada ledningarna och/eller orsaka ett betydande spänningsfall till motorn (vilket resulterar i minskad hastighet). NetC21_2 som visas i figur 3 är cirka 0.8 tum lång och måste bära en maximal ström på 2 ampere. Om vi ​​antar några allmänna förhållanden, till exempel 1 uns kopparhällning och rumstemperatur under normal drift, måste vi beräkna minsta ledningsbredd och det förväntade tryckfallet vid den bredden.

Hur man beräknar PCB -ledningsmotstånd?

Följande ekvation används för spårområde:

Område [Mils ²] = (nuvarande [Amps] / (K * (Temp_Rise [° C]) ^ b)) ^ (1 / C), som följer IPC -yttre lager (eller topp / botten) kriterium, k = 0.048, b = 0.44, C = 0.725. Observera att den enda variabeln vi verkligen behöver infoga är aktuell.

Att använda denna region i följande ekvation ger oss den nödvändiga bredden som berättar för linjebredden som behövs för att bära strömmen utan några potentiella problem:

Bredd [Mils] = yta [Mils ^ 2] / (tjocklek [oz] * 1.378 [mils / oz]), där 1.378 är relaterat till standard 1 oz hälltjocklek.

Genom att sätta in 2 ampere ström i ovanstående beräkning får vi minst 30 mil ledningar.

Men det berättar inte vad spänningsfallet kommer att bli. Detta är mer involverat eftersom det måste beräkna trådens motstånd, vilket kan göras enligt formeln som visas i figur 4.

I denna formel är ρ = kopparns resistivitet, α = kopparkapacitetskoefficient, T = spårtjocklek, W = spårbredd, L = spårlängd, T = temperatur. Om alla relevanta värden sätts in i en 0.8 “längd på 30 mils bredd, finner vi att ledningsmotståndet är cirka 0.03? Och det sänker spänningen med cirka 26mV, vilket är bra för den här applikationen. Det är bra att veta vad som påverkar dessa värden.

PCB -kabelns avstånd och längd

För digitala konstruktioner med höghastighetskommunikation kan specifika avstånd och justerade längder krävas för att minimera överhörning, koppling och reflektion. För detta ändamål är några vanliga applikationer USB-baserade seriella differentialsignaler och RAM-baserade parallella differentialsignaler. Vanligtvis kräver USB 2.0 differentiell routing med 480 Mbit/s (höghastighetsklass USB) eller högre. Detta beror delvis på att höghastighets-USB vanligtvis arbetar med mycket lägre spänningar och skillnader, vilket ger den övergripande signalnivån närmare bakgrundsljud.

Det finns tre viktiga saker att tänka på när du drar höghastighets-USB-kablar: trådbredd, avstånd mellan ledningar och kabellängd.

Alla dessa är viktiga, men det mest kritiska av de tre är att se till att längden på de två linjerna matchar så mycket som möjligt. Som en tumregel, om kablarnas längder skiljer sig från varandra med högst 50 mil (för höghastighets-USB), ökar detta avsevärt risken för reflektion, vilket kan leda till dålig kommunikation. 90 ohm matchande impedans är en allmän specifikation för differentialparledningar. För att uppnå detta mål bör routningen optimeras i bredd och avstånd.

Figur 5 visar ett exempel på ett differentialpar för kabeldragning av höghastighets-USB-gränssnitt som innehåller 12 mil breda ledningar i 15 mils intervall.

Gränssnitt för minnesbaserade komponenter som innehåller parallella gränssnitt (t.ex. DDR3-SDRAM) kommer att vara mer begränsade när det gäller trådlängd. De flesta avancerade PCB-designprogramvaror kommer att ha längdjusteringsmöjligheter som optimerar linjelängden för att matcha alla relevanta signaler i parallellbussen. Figur 6 visar ett exempel på en DDR3 -layout med längdjusteringskablar.

Spår och plan för markfyllning

Vissa applikationer med bullerkänsliga komponenter, till exempel trådlösa chips eller antenner, kan kräva lite extra skydd. Att designa ledningar och plan med inbäddade markhål kan i hög grad hjälpa till att minimera kopplingen av närliggande ledningar eller planplockning och off-board-signaler som kryper in i brädans kanter.

Figur 7 visar ett exempel på en Bluetooth-modul placerad nära plattans kant, med sin antenn (via skärmtryckta “ANT” -markeringar) utanför en tjock linje som innehåller inbäddade genomgående hål anslutna till markformationen. Detta hjälper till att isolera antennen från andra kretsar och plan ombord.

Denna alternativa metod för dirigering genom marken (i detta fall ett polygonalt plan) kan användas för att skydda kortkretsen från externa trådlösa signaler. Figur 8 visar ett bullerkänsligt kretskort med ett jordat genomgående hål inbäddat plan längs kortets periferi.

Bästa praxis för PCB -kablar

Många faktorer avgör ledningsegenskaperna för kretskortsfältet, så se till att följa bästa praxis när du kopplar ditt nästa kretskort, så hittar du en balans mellan PCB -kostnad, kretstäthet och övergripande prestanda.