mida peate teadma PCB-traatide kohta?

PCB-juhtme laiuse kalkulaator: elektriskeemi disain ja juhtmete vahekaugus ning pPI disain

Mida peate teadma pCB jälgi

Intro

PCB-juhe on üks olulisemaid trükitud kaardi osi, kuid seda ignoreeritakse sageli algajate poolt. Lihtsaimas vormis on juhe vasest juhe või juhtiv vasest radade, mis toimetab elektrivoolu elektrooniliste komponentide vahel. Iga kord, kui signaal liigub ühest mikroskeemist teise või kui vool voolab ühenduspesast seadmesse, läbib see tavaliselt PCB-juhi. See tähendab, et juhe pole lihtsalt joon plaadil. See on PCB-elektroonikaskeema, PCB-juhtimise ja terve plaadi funktsioonide alus. Ilma õigete juhtmeteta ei tööta ka kõige paremini disainitud skeem täpselt.

PCB juhtmete disain on väga oluline, sest juhtmed teevad palju rohkem kui lihtsalt ühendavad punkte plaadil. Nad mõjutavad ka PCB elektrilist efektiivsust, signaali stabiilsust, võimsuse ringlust, pinge langust ja soojuse lagunemist. Liiga õhuke juhe võib liialt soojeneda või sulada. Liiga pikk juhe võib tekitada takistust ja aeglustada signaalide liikumist. Vale suunas paigutatud juhe võib suurendada ristmõju, elektromagnetilist häiret või signaali moonutust. Põhimõtteliselt võib PCB juhtme kvaliteet otsustada, kas toode töötab sujuvalt või läheb koorma all katki.

Seetõttu pööravad disainerid tähelepanu PCB-traatide suurusele, PCB-traatide paksusele ja PCB-traatide olemasolule juba stiiliprotsessi varajasel etapil. Need aspektid ei ole visuaalsed. Need on stiilivalikud, mis mõjutavad ohutust, toimivust ja tootmiskõlblikkust. Näiteks vajab kõrgvooluline elektrimootoriga sõidukite juhtplaat palju laiemaid traate kui väike ülespüügiseade. Kõrgkiiruseline digitaalplaat võib nõuda ettevaatlikku traatide paigutust ja takistuskontrolli. Painduv plaat võib vajada erinevaid traatide eeskirju kui mittepainduv plaat. FR-4 plaat . Parimad valikud sõltuvad ahelast, komponentidest ja lõplikust kasutusvaldkonnast.

Miks on PCB-traatide teadmised olulised

PCB-juhtme laiuse ja PCB-juhtme takistuse hindamise mõistmine on kasulik nii algajatele kui ka kogenud arendajatele. Algajad keskenduvad tavaliselt komponentide paigutusele ja skeemikaartide ühendustele, kuid just juhtmete disain muudab projektist kasutatava füüsilise toote. Kogenud insenerid teadvad, et juhtmete stiil mõjutab kõike – alates PCB ülekuumenemisest kuni PCB-plaadi stabiilsuseni. Kui te arendate mudelit, loote automaatikat või haldate PCB-valmistamist ja PCB-seadistamist, on juhtmete oskus väga oluline.

Allpool on esitatud mitu olulisemat kaartformaadi probleemi:

Olemasolev voolukandevõime: juhe peab kindlalt suutma taluda voolu ilma ülekuumenemiseta.

Pingeohutus: pikkade või õhukeste juhtmete puhul võib tekkida soovimatud pingekaotused.  

Signaali kvaliteet: halb edastus võib vähendada signaali usaldusväärsust ja suurendada müra.  

Sooritusvõime: õhukesed juhtmed võivad olla ebapiisavad kõrgvoolu läbimisel.

Tootmisõnnestumine: hea juhtmete paigutus parandab PCB valmistatavust ja vähendab konstruktsiooniga seotud probleemide teket.

Standardne näide

Vaatleme kahte PCB-juhet, mis kannavad sama voolu. Üks juhe on lai ja lühike. Teine on kitsas ja pikk. Kitsas juhe omab suuremat takistust, mistõttu soojeneb see palju rohkem ja langeb sellel voolu läbimisel olulisem pingelangus. Aeglaselt võib see põhjustada ebaõnnestumise. Lai juhe aga töötab külmamana ja toimib paremini. Seepärast on PCB-juhtmete mõõtmine nii oluline PCB-inseneritöös ja elektroonilises disainis.

Uuring: juhtme ebaõnnestumine mudelis  

Väike PCB-versioon IoT-seadmes töötas hästi kogu laualt testimise ajal, kuid nurjus pärast paigaldamist soojemasse süsteemi. Probleem ei olnud kiibis ega tarkvaras. Probleem oli selles, et toitejuhe oli liiga kitsas tegeliku töökorralduse voolu jaoks. Kui plaat soojenes, tõusis juhtme temperatuur, takistus suurenes ja pinge langes allapoole sensori vajalikku taseme. Põhiline juhtme üleprojekteerimine lahendas probleemi. See on tavaline olukord, miks juhtmete suuruse määramist ei saa teha teisena mõeldavaks asjaks.

Miks on juhtmete kujundamine oluline PCB-oskus

Hea PCB disain ei ole praktiliselt ideaalsete komponentide paigutamine plaadile. See on usaldusväärsete elektriteedega plaatide loomine, mis töötavad reaalsetes töötingimustes. See tähendab sobiva juhtmegeomeetria valimist, sobiva PCB ülekanne kasutamist ja PCB soojusjuhtimise jälgimist. See tähendab ka seda, et tuleb mõista, kuidas PCB teenused seotud füüsilise plaadiga. Kui te teate, kuidas täpselt vool läbib, kuidas täpselt takistus tekib ja kuidas soojus levib läbi vasest, saate luua palju tugevamaid ja usaldusväärsemi plaate.

PCB juhe kaasaegses ahelakonstruktsioonis

PCB-juhe on rohkem kui lihtne vasemütsi joon. Kaasaegses PCB-konstrueerimises on see tegelik rada, mis võimaldab toite-, andme- ja juhisignaalide liikumist plaadi üle. Juhtmed ühendavad elektroonilisi komponente, näiteks integraallülitusi (IC), takisteid, kondensaatoreid, tajumisseadmeid, portusid ja toiteseadmeid, muutes ahela füüsiliselt ja elektriliselt töötavaks. Tundlikkuse tõttu on juhtmed plaadi tegelikud „maanteed“. Ilma nendeta jääks skeem kindlasti ainult teoreetiliseks mõisteks. Nendega saab konstruktsioonist töötav trükitud emaplaat.

Tänapäeva elektroonikas peavad juhtmed tegema palju rohkem kui lihtsalt voolu edastada. Nad peavad säilitama signaali stabiilsuse, toetama võimsusvooluringi, vähendama PCB elektritakistust ja vältima soovimatut müra. See kehtib eriti plaatidel, millel on kiired elektroonilised signaalid, RF-sektorid, elektrimootorite juhid või suure võimsusega ahelad. Juhe, mis töötab hästi tavalises LED-plaadis, võib olla täiesti sobimatu kõrgkiirusliku juhtseadme jaoks, kui seda ei ole õigesti dimensioneeritud ega ühendatud. Seepärast on PCB-juhtmete optimeerimine oluline osa PCB-konstrueerimisest ja PCB-tootmisvõimalustest.

Miks juhtme kuju mõjutab tõhusust

Vooluring: juhe peab kindlasti vastama nõutavale voolutugevusele.

Pingeohutus: pikkade juhtmete puhul võib tekkida pingekadu.

Soojusjuhtivus: õhukesed juhtmed võivad suurte koormuste all liiga palju soojeneda.

Müra vähenemine: halb ühendus võib suurendada elektromagnetilist häiret (EMI) ja ristmürat.

Plaadi suurus: juhtmete ühendus mõjutab seda, kui väike plaadi suurus saab olla.

Juhtme takistus ja vooluring

Igal juhtmel on takistus. Ka vaske ei loeta eriti heaks juhtivmaterjaliks. Kui juhtmel voolab vool, kaotub osa energiast soojusena. Seetõttu on oluline suhe juhtme takistuse, voolutõlgitavuse ja juhtme temperatuuri vahel. Kui juhe on liiga õhuke, tõuseb takistus, mis teeb juhtme soojemaks ja suurendab tõenäosust, et PCB läheb liiga kuumaks.

PCB-juhtmete takistus

Mitmed füüsikalised ja elektrilised omadused määravad, kuidas PCB-juhe toimib. Nendeks on juhtme paksus, juhtme tihedus, juhtme suurus, juhtmete vahekaugus, juhtme geomeetria ja pinnakatte omadused. Kokku määravad need omadused, kui palju voolu juhe võib vastu pidada, kui suur on selle takistus ja kui hästi see suudab signaali edastada.  

1. Juhtme suurus  

Juhise suurus on juhi (vaskteekonna) sirgjooneline laius. Laiemad juhised suudavad kanda palju suuremat voolu ja töötada külmamal temperatuuril. Õhemad juhised võimaldavad tihedamat trassimist, kuid neid ei saa kasutada kõrgpingeliste juhtmete puhul.  

2. Vasaku paksus

Vasaku tihedust määratakse sageli vasaku kaalaga või mikromeetrites. Paksem vasak vähendab takistust ja parandab soojusülekanne omadusi. Seetõttu on PCB-s kasutatava vasaku kaaluga oluline tegur juhtmete voolutaluvuse arvutamisel.  

3. Juhtme suurus  

Pikemad juhised omavad suuremat takistust ja suuremat võimalust signaalide viivituse tekkeks. Digitaalsete või RF-plaatide puhul võib juhtmete suurus mõjutada ajastust, ülekannevastupidavust ja signaali kvaliteeti.

4. Juhtmete vahekaugus  

Juhtmete vaheline vahekaugus aitab vältida ristmõju ja elektromagnetilist häiret (EMI). Liiga väike vahekaugus võib põhjustada signaalide omavahelist häirumist, eriti kõrgkiirusliku PCB-trassimise korral.  

5. Juhtme geomeetria  

Teravnurgad, äärmuslikud painutused ja negatiivsed ülekanne-nurgad võivad tekitada probleeme. Paljud insenerid valivad 45-kraadise ülekande, kuna see on tootmiseks puhtam ja tavaliselt parem signaaliruutude jaoks kui teravnurgalised 90-kraadised pöördeid.

6. Ühendusaukud  

Ühendusaukud ühendavad kihte mitmekihilistes plaatides. Iga ühendusauk sisaldab siiski väikest kogust takistust ja induktiivsust. See on oluline kõrgkiiruseliste või suurte vooludega lahenduste puhul.  

7. Pindkatte viimistlus  

Juhtme omadused sõltuvad ka lõplikust kihist ja sellest, kui hästi vaske kinnitatakse PCB tootmisel ja PCB paigaldamisel. Juhe, mis on ekspositsioonile allunud või valesti lõpetatud, võib olla vähem usaldusväärne või keerulisem solderida.

Kodumajanduse tabel

PCB-traadi vool

PCB-traadi vool on elektrivoolu kogus, mis voolab läbi vasstraaži. See võib tunduda ilmne, kuid see on üks olulisemaid disainiparameetreid plaadil. Kui traat kannab rohkem voolu, kui selleks on mõeldud, võib see liialt soojeneda, kaotada pinget või täielikult läbi põletada. Seetõttu arvutavad disainerid enne lõpliku disaini valmimist traadi voolukandevõime.

Traadi kandevõime sõltub järgmistest teguritest:

Traadi suurusest

Vasktihendusest

Traadi mõõtmetest

Ümbritsevast temperatuurist

Lubatud traadi temperatuurist

Jahutusprobleemid

Plaadi materjal  

Suurem juhe võib kanda palju suuremat voolu, kuna selle ristlõikepindala on suurem. Paksem vasukihiga aitab kaasa vähendatud takistusele. Vastupidi, pikk ja kitsas juhe suudab kanda vähem voolu ja on tõenäolisemalt kuumenemise ohu all.

Miks tekivad olemasolevad probleemid PCB disainis

Olemasolevad mõjud:

Vool jaotus

Pingelangus

Juhtme temperatuur

Plaadi usaldusväärsus

Turvalisus ja turvalisus

PCB plaadi efektiivsus

Nõrkade juhtmetega suurte voolude üldised riskid

Ka kuumade toodete saamine

Vaskkihi lagunemine

Sulatunud juhetekihid

Lülituste avamine

Lüheneb toote kasutusiga

Pinnakontakti pingutus

PCB-kaardid PCB-s Disain : Ülekanne ja paigutuse alused

Hea PCB-juhtimine ei ole suvaline. Sellele järgitakse plaani. Juhtmeid tuleb paigutada nii, et tagada stabiilne toite- ja maandusvooluring, signaalide kõrgkvaliteediline edastamine ning häirete vähendamine. Praktikas tähendab see erinevate signaalitüüpide eraldamist, tagasiteede reguleerimist ja sobiva kihtstruktuuri valikut.

Kriteeriumide edastamise põhimõtted

Hoidke võimsusjuhtmed suured ja lühikesed

Hoidke signaalijuhtmed puhtad ja sirged

Kasutage maandusplaate müra vähendamiseks

Vältige tarbetuid aukusid

Eraldage kiirkäigulised signaalid aeglastest signaalidest

Kasutage olulistel juhttelgedel laialdaselt läbiviike

Võimsus, maandus ja signaalide eraldamine

Võimsusjuhtmed peaksid tavaliselt olema suuremad kui signaalijuhtmed, sest nad juhtivad palju suuremat voolu. Maanduskihid pakuvad madala takistusega tagasitee ja aitavad plaadi stabiilsust säilitada. Signaalijuhtmed tuleb paigutada nii, et vältida müralisi piirkondi, eriti lähedal lülitusregulaatoritele, mootoritele või RF-allikatele.

Automaatne paigutus vs. käsilähteline paigutus

Soovituslikud edastamispraktikad

Kasutage 45-kraadiseid juhtmeid

Hoidke juhtmed võimalikult lühikesed

Hoidke oluliste juhtmete läbimõõt ühtlane

Vältida teravnurkseid juhtme ääri

Kasutada pisaraku kujulisi padde, kui tekib usaldusväärsuse küsimusi

Kontrollida marsruutimist disainipoliitika jälgimisega (DRC).

Kihi ja läbipunktide tehnika.

Mitmekihiliste печатплатите disainis on marsruutimine tavaliselt lihtsam, kuna signaalid saavad liikuda sisemiste kihtide vahel. Siiski tuleb iga kasutusviisi aktiivselt rakendada. Läbipunktid, pimedad läbipunktid ja maetud läbipunktid mõjutavad kõik erinevalt nii maksumust kui ka toimivust.  

Juhtme suurus ja signaali peegeldumine.

Kõrgkiiruslikus elektroonikas mõjutab juhtme suurus rohkem kui voolutugevust. See mõjutab samuti juhtme takistust, mis omakorda mõjutab signaali kvaliteeti. Kui juhtme takistus muutub äkki, võib osa signaalist peegelduda, mitte liikuda edasi puhtalt. Sellist nähtust nimetatakse peegeldumiseks ja see võib halvendada signaali kvaliteeti.

Mis mõjutab signaali kvaliteeti?

Ootamatud juhtme suuruse muutused.

Takistuse ebavõrdsused.

Halbade muudatuste tekkimine kihtide vahel.

Halb adapteri suunamine.

Teravnurksed geomeetria muudatused.

Pikkade lõpetamata signaaljuhtmete kasutamine.

Miks tekivad mõõtmedega seotud probleemid

Juhtme laius mõjutab selle elektrilisi omadusi. Laiemad juhtmed on tavaliselt vähem tundlikud, samas kui kitsamad juhtmed on tundlikumad. Kiirkirjutus-PCB disainis on see oluline, kuna signaalid peavad liikuma ennustatavalt. Kui takistust ei reguleerita, võib selle tulemuseks olla häälitsus, ajastusvigad või andmete moonutumine.

Parimad tavasid esitusvigu vähendamiseks

Säilita juhtme suurus ühtlane.

Reguleeri takistust vajaduse korral.

Välti geomeetria katkestusi.

Kasutage kõrgkiiruslikel liinidel ideaalset katkestust.

Hoidke juhtimine korralik ja kiire.

Erinevad müürivad jäljed täpsete omadega.

Kui kujutamine muutub probleemiks

Signaaliesitus on eriti oluline järgmistes juhtudes:

USB-diferentsiaalpaarid.

LVDS edastus.

RF-PCB-stiil.

Kiired digitaalsed andmebussid.

Kellaliinid.

Kõrgsagedusliku interaktsiooni veebilingid.

Juhtumiuuring: Ebastabiilne kella signaal.

Ühel liitplaatidel esines korduvaid digitaalseid vigu kõrgkiirusel kella juhtmel. Probleem tekkis juhtme tõttu, mille laius muutus äkki porti lähedal. See väike geomeetriline muutus põhjustas probleemi. Pärast seda, kui juhe ümberprojekteeriti pideva laiusega, kadusid vead.  

Parimad praktikad liitplaadi juhtmete projekteerimiseks.

Juhtmete loomine on üks kiireimaid viise, kuidas parandada plaadi kvaliteeti. Hea juhtmete projekteerimine aitab soojusohutuse, signaalitäpsuse ja tagasitee loomisel. See muudab plaadi ka palju lihtsamaks kontrollida ja hiljem töödelda.

Põhiparimad praktikad

Valige juhtme suurus vastavalt voolule.

Kasutage võimsusahelate jaoks suuremaid juhte.

Hoiduge kõrgkiiruslike juhtmete puhul liiga pikkade ja kõverate marsruutide kasutamisest.

Vältige tundlike signaalide marsruutimist mürgiste elementide lähedale.

Hoidke õige traatvahemaa.

Kasutage puhta maapinna ühendust.

Kasutage tootmise eelnevalt DRC-d.

Lisajuhised.

Kasutage maapinna alasid soojusabi tagamiseks.

Kaasake väiksemad padude võrguühendused tugevamate jaoks.

Juhtige traadid 45-kraadise nurga all.

Kasutage diferentsiaalseid kogumisjuhte tasakaalustatud signaalide jaoks.

Arvestage impedantsi RF- ja kiirsignaaliliinide puhul.

Mudeliteerimine ja kontroll enne lõplikku tootmist.

Parimad tavapraksised tabel

Miks tekivad PCB-joonte (trace) pädevusprobleemid PCB paigutuses ja tootmises?

PCB-joonte (trace) tundmine on oluline, sest jooned mõjutavad peaaegu iga osa plaadi ülemise kvaliteedi kohta. Nad mõjutavad konkreetsete asjade poolest seda, kuidas plaat kannab voolu, kui palju müra see teeb, kui palju soojust see teeb ja kui hästi seda saab toota. PCB tootmisel peavad joonte laius ja vahe ka vastama tootmisprotsessile. Kui disainer unustab need nõuded, võib plaadi õige tootmine olla keeruline või isegi võimatu.  

PCB-joonte (trace) tundmise probleemid:

PCB stabiilsus.

PCB voolukandmine.

PCB soojuslikud tagajärjed.

PCB signaalikvaliteet.

PCB tootmisvõimalus.

PCB remontimisvõimalus.

Miks tootmismeeskondadele vajalik teraapia

Tootjad hindavad:

Etšeerimise piirangud.

Minimaalne juhtme laius.

Juhtmete vahekaugus.

Vasktihedus.

Kihtide paigutus.

DFM-i vastavus.

Miks monteerimisteemad töötlemine.

Tiimide loomine hinnatakse:

Lõike sobivus.

Soojusülekanne.

Komponentide paigutamine.

Ümberkujundamise saavutamine.

Plaadi vastupidavus.

Miks disainerid töötlemine

Arendajate töötlemine, arvestades, et juhtmete tegevused mõjutavad:

Pinge stabiilsus.

Heli vähenemine.

Signaali ausus.

Elemendi eluiga.

Süsteemi ohutus ja turvalisus.

Tavaliselt esinevad küsimused

Kuidas ma täpselt määran sobiva juhtme laiuse?

Kasutage PCB-juhtme suuruse kalkulaatorit või disainivalemit, mis põhineb voolul, vasaku tihedusel, temperatuuril ja lubatud pingekao suurusel.

Kuidas erinevad mikrolint ja striplint ahelajuhid?

Mikrolint töötab välise kihi peal, samas kui striplint asub sisemiste kihtide vahel. Striplint on üldiselt paremini ekraanitud.

Kuidas mõjutavad PCB-juhtmete pinnad solderdamist ja tõhusust?

Juhtmete pinnakatted mõjutavad solderi sidumise kvaliteeti, vasu vastupärasust oksüdeerumisele ning lõpliku ühenduse usaldusväärsust.

Mis on tavalised põhjused, miks PCB juhtmete ühendus katkeb?

Tüüpilised põhjused hõlmavad ülekuumenemist, kihtide eraldumist, liialt sügavat etšeerimist, vale juhtimist, ristmõju ja mehaanilisi kahjustusi.  

Kuidas loodakse PCB juhtmeid kõrgkiiruslikele ja kõrgsageduslikele vormingutele?

Need on palju rohkem takistusjuhtimisega projekteeritud, palju täpsemalt realiseeritud ning palju rohkem sõltuvad kihtide paigutusest ja simulatsioonist.

Kuidas saavad algajad parandada PCB juhtmete disaini?

Alustage sobiva juhtme läbimõõduga, hoidke juhtmed lühikesed, kasutage maapinna tasandeid, järgige DRC-juhiseid ja alustage disainiga juba varasemas etapis.