ความสำคัญของความกว้างของเส้น PCB ในการออกแบบ PCB

ความกว้างของเส้นคืออะไร?

เริ่มจากพื้นฐานกันก่อน ความกว้างของรอยคืออะไร? เหตุใดการระบุความกว้างของการติดตามจึงสำคัญ วัตถุประสงค์ของการ PCB การเดินสายคือการเชื่อมต่อสัญญาณไฟฟ้าชนิดใดก็ได้ (แอนะล็อก ดิจิตอล หรือไฟ) จากโหนดหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่ง

โหนดสามารถเป็นหมุดของส่วนประกอบ กิ่งก้านของรอยหรือระนาบที่ใหญ่กว่า หรือแผ่นเปล่าหรือจุดทดสอบสำหรับการตรวจสอบ ความกว้างของรอยต่อมักจะวัดเป็นหน่วยมิลหรือหลายพันนิ้ว ความกว้างของสายไฟมาตรฐานสำหรับสัญญาณธรรมดา (ไม่มีข้อกำหนดพิเศษ) อาจมีความยาวหลายนิ้วในช่วง 7-12 mils แต่ควรพิจารณาปัจจัยหลายประการเมื่อกำหนดความกว้างและความยาวของสายไฟ

ipcb

โดยทั่วไป แอปพลิเคชันจะขับเคลื่อนความกว้างของสายไฟและประเภทการเดินสายในการออกแบบ PCB และในบางจุด มักจะทำให้ต้นทุนการผลิต PCB สมดุล ความหนาแน่น/ขนาดของบอร์ด และประสิทธิภาพ หากบอร์ดมีข้อกำหนดในการออกแบบเฉพาะ เช่น การปรับความเร็วให้เหมาะสม การลดเสียงรบกวนหรือการต่อพ่วง หรือกระแสไฟ/แรงดันไฟสูง ความกว้างและประเภทของร่องรอยอาจมีความสำคัญมากกว่าการปรับต้นทุนการผลิตของ PCB เปล่าหรือขนาดบอร์ดโดยรวมให้เหมาะสม

ข้อกำหนดเกี่ยวกับการเดินสายในการผลิต PCB

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

การออกแบบที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งรวมเอาการใช้พื้นที่ PCB เข้าไว้ด้วยกัน เช่น BGA ที่เว้นระยะห่างอย่างประณีตมากหรือบัสขนานที่มีสัญญาณสูง อาจต้องใช้ความกว้างของเส้น 2.5 มม. รวมถึงรูเจาะแบบพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 6 มม. เช่น เช่น เลเซอร์เจาะรูไมโครทรู ในทางกลับกัน การออกแบบกำลังสูงบางแบบอาจต้องใช้สายไฟหรือระนาบขนาดใหญ่มาก ใช้ทั้งชั้นและเทออนซ์ที่หนากว่ามาตรฐาน ในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด อาจต้องใช้แผ่นบางมากที่มีหลายชั้นและความหนาของการหล่อทองแดงที่จำกัดเพียงครึ่งออนซ์ (ความหนา 0.7 มม.)

ในกรณีอื่นๆ การออกแบบสำหรับการสื่อสารความเร็วสูงจากอุปกรณ์ต่อพ่วงเครื่องหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งอาจต้องใช้การเดินสายที่มีอิมพีแดนซ์ควบคุมและความกว้างและระยะห่างเฉพาะระหว่างกันเพื่อลดการสะท้อนและคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำให้น้อยที่สุด หรือการออกแบบอาจต้องใช้ความยาวที่แน่นอนเพื่อให้ตรงกับสัญญาณอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องในรถบัส การใช้งานไฟฟ้าแรงสูงต้องการคุณลักษณะด้านความปลอดภัยบางอย่าง เช่น การลดระยะห่างระหว่างสัญญาณความแตกต่างที่เปิดเผยสองตัวเพื่อป้องกันการอาร์ค โดยไม่คำนึงถึงลักษณะหรือคุณลักษณะ คำจำกัดความการติดตามเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้น เรามาสำรวจแอปพลิเคชันต่างๆ กัน

ความกว้างและความหนาของสายไฟต่างๆ

PCBS typically contain a variety of line widths, as they depend on signal requirements. ร่องรอยที่ละเอียดกว่าที่แสดงไว้ใช้สำหรับสัญญาณระดับ TTL (ทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ลอจิก) วัตถุประสงค์ทั่วไป และไม่มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับการป้องกันกระแสไฟหรือสัญญาณรบกวนสูง

สิ่งเหล่านี้จะเป็นประเภทการเดินสายที่พบบ่อยที่สุดบนบอร์ด

การเดินสายที่หนาขึ้นได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความจุกระแสไฟและสามารถใช้กับอุปกรณ์ต่อพ่วงหรือฟังก์ชั่นที่เกี่ยวข้องกับพลังงานที่ต้องการพลังงานที่สูงขึ้น เช่น พัดลม มอเตอร์ และการถ่ายเทกำลังปกติไปยังส่วนประกอบระดับล่าง ส่วนด้านซ้ายบนของรูปยังแสดงสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล (USB ความเร็วสูง) ที่กำหนดระยะห่างและความกว้างเฉพาะเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดอิมพีแดนซ์ 90 ω รูปที่ 2 แสดงแผงวงจรที่มีความหนาแน่นเล็กน้อยซึ่งมีหกชั้นและต้องใช้ชุดประกอบ BGA (ball grid array) ที่ต้องใช้สายไฟที่ละเอียดกว่า

วิธีการคำนวณความกว้างของเส้น PCB?

มาดูขั้นตอนการคำนวณความกว้างของร่องรอยสำหรับสัญญาณกำลังไฟฟ้าที่ถ่ายโอนกระแสจากส่วนประกอบพลังงานไปยังอุปกรณ์ต่อพ่วง ในตัวอย่างนี้ เราจะคำนวณความกว้างของเส้นขั้นต่ำของเส้นทางกำลังสำหรับมอเตอร์กระแสตรง เส้นทางกำลังเริ่มต้นที่ฟิวส์ ข้ามสะพาน H (ส่วนประกอบที่ใช้จัดการระบบส่งกำลังผ่านขดลวดของมอเตอร์กระแสตรง) และสิ้นสุดที่ขั้วต่อของมอเตอร์ กระแสไฟสูงสุดต่อเนื่องเฉลี่ยที่มอเตอร์ DC ต้องการคือประมาณ 2 แอมแปร์

ตอนนี้การเดินสาย PCB ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทาน และยิ่งสายไฟยาวและแคบลงเท่าใด ความต้านทานก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น หากกำหนดสายไฟไม่ถูกต้อง กระแสไฟสูงอาจทำให้สายไฟเสียหายและ/หรือทำให้แรงดันไฟฟ้าตกที่มอเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ (ส่งผลให้ความเร็วลดลง) หากเราใช้เงื่อนไขทั่วไปบางอย่าง เช่น การเททองแดง 1 ออนซ์และอุณหภูมิห้องระหว่างการทำงานปกติ เราจำเป็นต้องคำนวณความกว้างของเส้นขั้นต่ำและแรงดันที่คาดหวังที่ความกว้างนั้น

ระยะห่างและความยาวของสายเคเบิล PCB

สำหรับการออกแบบดิจิทัลที่มีการสื่อสารความเร็วสูง อาจจำเป็นต้องมีระยะห่างเฉพาะและปรับความยาวเพื่อลดการครอสทอล์ค คัปปลิ้ง และการสะท้อนกลับให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อจุดประสงค์นี้ แอปพลิเคชั่นทั่วไปบางตัวคือสัญญาณความแตกต่างแบบอนุกรมที่ใช้ USB และสัญญาณความแตกต่างแบบขนานที่ใช้ RAM โดยปกติ USB 2.0 จะต้องมีการกำหนดเส้นทางที่แตกต่างกันที่ 480Mbit/s (คลาสความเร็วสูง USB) หรือสูงกว่า ส่วนหนึ่งเป็นเพราะ USB ความเร็วสูงมักจะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและความแตกต่างที่ต่ำกว่ามาก ทำให้ระดับสัญญาณโดยรวมใกล้เคียงกับเสียงพื้นหลังมากขึ้น

มีสิ่งสำคัญสามประการที่ควรพิจารณาเมื่อกำหนดเส้นทางสาย USB ความเร็วสูง: ความกว้างของสายไฟ ระยะห่างของตะกั่ว และความยาวสายเคเบิล

ทั้งหมดนี้มีความสำคัญ แต่ที่สำคัญที่สุดของทั้งสามคือต้องแน่ใจว่าความยาวของทั้งสองบรรทัดตรงกันมากที่สุด 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. อิมพีแดนซ์การจับคู่ 90 โอห์มเป็นข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการเดินสายคู่เฟืองท้าย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ การกำหนดเส้นทางควรได้รับการปรับให้เหมาะสมในด้านความกว้างและระยะห่าง

รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างคู่ดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับการเดินสายอินเทอร์เฟซ USB ความเร็วสูงที่มีการเดินสายกว้าง 12 mil ในช่วงเวลา 15 mil

Interfaces for memory-based components that contain parallel interfaces will be more constrained in terms of wire length. ซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB ระดับไฮเอนด์ส่วนใหญ่จะมีความสามารถในการปรับความยาวที่ปรับความยาวของสายให้เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับสัญญาณที่เกี่ยวข้องทั้งหมดในบัสคู่ขนาน รูปที่ 6 แสดงตัวอย่างเลย์เอาต์ DDR3 พร้อมการเดินสายปรับความยาว

ร่องรอยและระนาบของการถมดิน

แอปพลิเคชันบางตัวที่มีส่วนประกอบที่ไวต่อสัญญาณรบกวน เช่น ชิปไร้สายหรือเสาอากาศ อาจต้องการการป้องกันเพิ่มเติมเล็กน้อย การออกแบบการเดินสายและระนาบที่มีรูกราวด์ฝังไว้สามารถช่วยลดการเชื่อมต่อของสายไฟในบริเวณใกล้เคียงหรือการหยิบเครื่องบินและสัญญาณนอกบอร์ดที่คลานเข้าไปในขอบของบอร์ดได้อย่างมาก

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. ซึ่งจะช่วยแยกเสาอากาศออกจากวงจรและระนาบอื่นๆ บนเครื่องบิน

This alternative method of routing through the ground can be used to protect the board circuit from external off-board wireless signals. รูปที่ 8 แสดง PCB ที่ไวต่อสัญญาณรบกวนพร้อมระนาบฝังผ่านรูที่ต่อลงดินตามขอบของบอร์ด

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเดินสาย PCB

มีหลายปัจจัยกำหนดลักษณะการเดินสายของฟิลด์ PCB ดังนั้น โปรดปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเมื่อเดินสาย PCB ถัดไป และคุณจะพบความสมดุลระหว่างต้นทุนของ PCB ความหนาแน่นของวงจร และประสิทธิภาพโดยรวม