čo potrebujete vedieť o vodičoch na DPS?

Kalkulačka šírky vodivých dráh PCB: Návrh obvodov a rozstup vodivých dráh dizajn PCB

Čo potrebujete vedieť o pCB stopy

Úvod

Vodivá dráha PCB patrí medzi najdôležitejšie súčasti tlačenej spojovacej dosky, avšak často ju začínajúci návrhári opomíňajú. V zásade ide o medenú dráhu alebo vodivú medenú cestu, ktorá prenáša elektrický prúd medzi elektronickými súčiastkami. Ak sa signál presúva z jedného čipu na iný alebo ak sa napájanie prenáša z konektora do zariadenia, zvyčajne prechádza cez vodivý vodič PCB. To znamená, že vodivá dráha nie je len čiara na doske. Je to základná súčasť elektrických obvodov PCB, smerovania na PCB a celkovej funkčnosti dosky. Bez správne navrhnutých vodivých dráh nebude ani najlepšie navrhnutý obvod fungovať správne.

Dôvod, prečo je návrh vodivých dráh na DPS veľmi dôležitý, spočíva v tom, že tieto dráhy robia viac než len spojenie bodov na doske. Okrem toho ovplyvňujú elektrickú účinnosť DPS, stabilitu signálov, rozvod výkonu, pokles napätia a odvod tepla. Príliš tenká vodivá dráha sa môže prehriať alebo dokonca roztaviť. Príliš dlhá vodivá dráha môže spôsobiť zvýšený odpor a spomaliť prenos signálov. Nesprávne navrhnutá vodivá dráha môže zvýšiť prekrytie signálov (crosstalk), elektromagnetické rušenie alebo skreslenie signálu. V podstate kvalita vodivej dráhy na DPS môže rozhodnúť o tom, či bude výrobok bezproblémovo fungovať alebo sa bude vysokým zaťažením porucha.

Preto sa návrhári zameriavajú na veľkosť vodivých dráh na DPS, hrúbku vodivých dráh na DPS a existenciu vodivých dráh na DPS už veľmi skoro v procese návrhu. Tieto aspekty nie sú vizuálne. Ide o návrhové rozhodnutia, ktoré ovplyvňujú bezpečnosť, výkon a výrobnú realizovateľnosť. Napríklad riadiaca doska elektrického pohonného motora vyžaduje výrazne širšie vodivé dráhy ako doska malého snímacieho zariadenia. Doska pre vysokorýchlostné digitálne signály môže vyžadovať starostlivé nastavenie vzdialenosti medzi vodivými dráhami a kontrolu ich odporu. Flexibilná doska môže vyžadovať iné pravidlá pre vodivé dráhy než tuhá doska. Doska FR-4 . Najlepšie možnosti závisia od obvodu, komponentov a konečného použitia.

Prečo je odbornosť v oblasti vodivých dráh na DPS dôležitá

Porozumenie odhadu šírky vodivých dráh na DPS a odporu vodivých dráh na DPS je užitočné nielen pre začiatočníkov, ale aj pre skúsených vývojárov. Začiatočníci sa zvyčajne sústreďujú na umiestnenie komponentov a schématické spojenia, avšak návrh vodivých dráh je to, čo mení návrh na funkčný fyzický výrobok. Skúsení inžinieri si uvedomujú, že štýl vodivých dráh ovplyvňuje všetko – od prehrievania DPS po stabilitu dosky DPS. Ak navrhujete model, vyvíjate automatizáciu alebo riadite výrobu DPS a montáž DPS, je odborná znalosť vodivých dráh veľmi dôležitá.

Nižšie sú uvedené niektoré z najdôležitejších faktorov súvisiacich s formátom vodivých dráh:

Stávajúca nosná schopnosť: Vodivá dráha musí bezpečne prenášať prúd bez prehrievania.

Bezpečnosť napätia: Dlhé alebo úzke vodivé dráhy môžu spôsobiť nežiaduce straty napätia.  

Kvalita signálu: Zlá prenosová kvalita môže znížiť vernosť signálu a zvýšiť úroveň šumu.  

Tepelný výkon: Tenké vodivé dráhy môžu pri vysokom prúdovom zaťažení pôsobiť ako slabé miesta.

Úspech výroby: Dobré rozmiestnenie spojov zvyšuje výrobnú schopnosť dosky plošných spojov (PCB) a znižuje riziko výrobných problémov.

Štandardná inštancia

Zvážte dva spoje na doske plošných spojov (PCB), ktoré vedú rovnaký prúd. Jeden spoj je široký a krátky. Druhý je úzky a dlhý. Úzky spoj má vyšší odpor, preto sa značne viac zahrieva a vzniká na ňom väčší úbytok napätia pozdĺž vedenia. Postupne to môže spôsobiť poruchu. Naopak, široký spoj sa chladí lepšie a funguje efektívnejšie. Preto je určenie veľkosti spojov na doske plošných spojov (PCB) tak dôležité pri návrhu PCB a elektronickom návrhu.

Štúdia: Porucha spoja v modeli  

Malá verzia PCB pre IoT zariadenie fungovala dobre počas testovania na pracovnom stole, avšak po umiestnení do teplejšieho systému zlyhala. Problém nebol v čipe ani v firmvéri. Príčinou bolo, že vodivá dráha bola príliš úzka pre skutočný prevádzkový prúd. Keď sa doska zohriala, stúpla teplota vodivej dráhy, zvýšil sa jej odpor a napätie kleslo pod úroveň potrebnú pre senzor. Základná rekonštrukcia vodivých dráh problém vyriešila. Ide o bežný prípad, prečo veľkosť vodivých dráh nesmie byť považovaná za vec druhého rádu.

Prečo je štýl vodivých dráh základnou schopnosťou pri návrhu PCB

Dobrá návrhová práca s DPS nie je len praktickým umiestnením ideálnych komponentov na dosku. Ide o vytváranie spoľahlivých elektrických ciest, ktoré fungujú za reálnych prevádzkových podmienok. To znamená výber optimálnej geometrie vodičov, použitie vhodných techník prenosu signálov cez DPS a starostlivé riadenie tepelnej správy DPS. Navyše to znamená pochopenie vzťahu medzi službami DPS a fyzickou doskou. Ak rozumiete tomu, ako presne prúd tečie, ako sa presne vytvára odpor a najmä ako sa teplo šíri cez meď, môžete navrhnúť výkonnejšie a spoľahlivejšie dosky.

Vodiče DPS v modernom návrhu obvodov

Stopa na DPS je viac než jednoduchá medená čiara. V súčasnom návrhu DPS predstavuje skutočnú dráhu, ktorá umožňuje prenos energie, dát a riadiacich signálov cez dosku. Stopy spájajú elektronické súčiastky, ako sú integrované obvody (IO), odpory, kondenzátory, snímače, konektory a zariadenia napájania, čím sa obvod stáva fyzicky aj elektricky funkčným. Keďže prenášajú signály, stopy sú vlastne „diaľnicami“ dosky. Bez nich by schéma zostala len teoretickým náčrtom. S ich pomocou sa návrh mení na funkčnú tlačenú dosku.

V dnešných elektronických zariadeniach musia vodivé dráhy plniť oveľa viac úloh než len prenášať prúd. Musia zachovávať stabilitu signálov, podporovať cirkuláciu energie, znížiť elektrický odpor dosky plošného spoja (PCB) a zabrániť nežiadúcemu šumu. To platí najmä pre dosky s rýchlymi elektronickými signálmi, RF časťami, riadičmi elektrických motorov alebo obvodmi vysokého výkonu. Vodivá dráha, ktorá funguje dobre na štandardnej doske so svetlodiódami, môže úplne zlyhať v rýchlostnom riadiči, ak nie je správne dimenzovaná alebo navrhnutá. Preto optimalizácia vodivých dráh na doskách PCB predstavuje významnú súčasť návrhu dosiek PCB aj ich výrobnosti.

Prečo tvar vodivej dráhy ovplyvňuje účinnosť

Prenášaný prúd: Vodivá dráha musí bezpečne prenášať požadovaný prúd.

Bezpečnosť napätia: Dlhé vodivé dráhy môžu spôsobiť úbytok napätia.

Riadenie teploty: Tenké vodivé dráhy sa pri veľkom zaťažení môžu prehriať.

Potlačenie šumu: Zlá prenosová schopnosť môže zvýšiť elektromagnetické rušenie (EMI) a vzájomné rušenie (crosstalk).

Rozmer dosky: Návrh vodivých dráh ovplyvňuje, akú malú môže byť doska.

Odpor vodivej dráhy a prenášaný prúd

Každá dráha má odpor. Dokonca aj meď nie je výnikajúcim vodičom. Keď sa po dráhe pohybuje prúd, časť energie sa stratí vo forme tepla. Preto je veľmi dôležitý vzťah medzi odporom dráhy, prúdovou zaťažiteľnosťou a teplotou dráhy. Ak je dráha príliš úzka, jej odpor stúpa, čo spôsobuje väčšie zahrievanie a vyššiu pravdepodobnosť prehriatia dosky plošných spojov (PCB).

Metóda výpočtu odporu dráh PCB

Niekoľko fyzikálnych a elektrických vlastností určuje, ako sa dráha PCB správa. Medzi tieto vlastnosti patria rozmery dráhy, hustota dráhy, šírka dráhy, vzdialenosť medzi dráhami, geometria dráhy a povrchová úprava. Spoločne tieto vlastnosti určujú, aký veľký prúd dráha dokáže prenášať, aký má odpor a ako efektívne môže prenášať signál.  

1. Šírka dráhy  

Veľkosť dráhy je priama šírka medi. Širšie dráhy môžu prenášať výrazne vyšší prúd a pracujú chladnejšie. Úzke dráhy umožňujú hustejšie usporiadanie, avšak nemusia byť vhodné pre vysokonapäťové vedenia.  

2. Hrúbka medi

Hustota medi sa často uvádza pomocou hmotnosti medi alebo mikrónov. Väčšia hrúbka medi znižuje odpor a zlepšuje tepelný výkon. Preto je hmotnosť medi na DPS kľúčovým faktorom pri odhadovaní prúdovej zaťažiteľnosti dráh na DPS.  

3. Veľkosť dráhy  

Dlhšie dráhy majú vyšší odpor a väčšiu pravdepodobnosť oneskorenia signálu. Na digitálnych alebo RF doskách môže veľkosť dráhy ovplyvniť časovanie, odolnosť voči rušeniu a integritu signálu.

4. Vzdialenosť medzi dráhami  

Vzdialenosť medzi dráhami pomáha predchádzať križovému rušeniu (crosstalk) a elektromagnetickému rušeniu (EMI). Nedostatočná vzdialenosť môže spôsobiť vzájomné ovplyvňovanie signálov, najmä pri návrhu DPS pre vysoké rýchlosti.  

5. Geometria dráhy  

Ostré rohy, extrémne ohyby a záporné prenosové uhly môžu spôsobiť problémy. Veľké množstvo inžinierov vyberá 45-stupňové prenosy, pretože sú čistejšie z hľadiska výroby a zvyčajne lepšie pre signálové trasy než ostré 90-stupňové ohyby.

6. Priechodné otvory  

Priechodné otvory (vias) spájajú vrstvy v viacvrstvových doskách. Slúžia na to, avšak každý priechodný otvor má malý odpor a indukčnosť. To je dôležité pri vysokorýchlostných alebo vysokoprúdových návrhoch.  

7. Úprava povrchu  

Výkon vodičov závisí tiež od konečnej vrstvy a od toho, ako dobre je meď upevnená počas výroby a montáže DPS. Vodič, ktorý je nezabezpečený alebo nesprávne dokončený, môže byť menej spoľahlivý alebo ťažšie spájkovateľný.

Tabuľka vlastníctva

Prúd v dráhe PCB

Prúd v dráhe PCB je množstvo elektrického prúdu pretekajúceho cez medenú dráhu. Toto sa môže zdať samozrejmé, avšak ide o jednu z najdôležitejších návrhových premenných na doske. Ak dráha prenáša viac prúdu, než je určené jej konštrukciou, môže sa prehriať, stratiť napätie alebo úplne zlyhať. Preto navrhovatelia vypočítajú nosnosť prúdu dráhy pred dokončením návrhu.

Prúd, ktorý dráha môže prenášať, závisí od:

Veľkosti dráhy

Hustota medi

Rozmery dráhy

Teploty okolia

Povolenej teploty dráhy

Problémov s chladením

PLOCHÝ MATERIÁL  

Väčšia dráha môže prenášať výrazne vyšší prúd, pretože má väčší prierez. Hrubsia medená vrstva tiež pomáha, pretože znižuje odpor. Naopak, široká, ale tenká dráha má nižšiu schopnosť prenášať prúd a je pravdepodobné, že sa zahreje.

Prečo sú existujúce problémy v návrhu DPS dôležité

Existujúce dopady:

Elektrické rozdelenie

Pokles napätia

Teplota dráhy

Spoľahlivosť dosky

Bezpečnosť a ochrana

Účinnosť dosky DPS

Bežné riziká vysokého prúdu v slabých dráhach

Prílišné zahrievanie

Odštiepenie medi

Roztavené sektory stôp

Otvorené obvody

Znížená životnosť výrobku

Napätie v pájkových spojoch

Mapy DPS na DPS Dizajn : Základy prenosu a rozmiestnenia

Kvalitné smerovanie DPS nie je náhodné. Riadi sa plánom. Stopy sa musia navrhovať tak, aby boli napájanie a uzemnenie stabilné, signály bezpečné a rušenie znížené. V praxi to znamená oddelenie rôznych typov signálov, reguláciu návratných ciest a výber vhodnej vrstvovej štruktúry.

Zásady prenosu signálu

Udržiavať napájacie stopy hrubé a krátke

Udržiavať signalové stopy čisté a rovné

Použite pozemné lietadlá na zníženie hlučnosti

Zabráňte nepotrebným bezpečnostným medzerám

Oddeľte vysokorýchlostné signály od nízkorýchlostných signálov

Vo dôležitých trasách intenzívne používajte prechodové otvory (vias)

Rozdelenie napájania, uzemnenia a signálov

Trasy napájania by mali byť zvyčajne širšie ako signalizačné trasy, pretože prenášajú oveľa väčší prúd. Uzemňovacie plochy poskytujú nízkoimpedančnú návratovú cestu a pomáhajú udržať dosku. Signalizačné trasy by mali byť vedené tak, aby sa vyhli hlučným oblastiam, najmä v blízkosti prepínacích regulátorov, motorov alebo RF zdrojov.

Automatické vedenie trás vs. manuálne vedenie trás

Odporúčané postupy prenosu

Použitie smerovania stôp pod uhlom 45 stupňov

Udržiavajte stopy čo najkratšie, ak je to možné

Udržiavajte rovnaké rozmery pre kľúčové spojenia

Vyhnite sa ostrým okrajom stôp

Používajte pady tvaru slzy tam, kde vznikajú obavy o spoľahlivosť

Preskúmajte trasovanie s monitorovaním návrhovej politiky (DRC).

Technika vrstiev a prechodových otvorov.

Pri návrhu viacvrstvových DPS je trasovanie zvyčajne jednoduchšie, pretože signály môžu prechádzať medzi vnútornými vrstvami. Avšak každý typ prechodového otvoru sa musí aktívne využívať. Prechodové otvory cez celú dosku, slepé prechodové otvory a zabudované prechodové otvory majú rozdielny vplyv na náklady aj výkon.  

Šírka trasy a odraz signálu.

V oblasti vysokorýchlostných elektronických zariadení ovplyvňuje šírka trasy viac než len prúd. Rovnako ovplyvňuje impedanciu trasy, čo má vplyv na kvalitu signálu. Ak sa impedancia trasy zmení náhle, časť signálu sa môže odraziť namiesto toho, aby sa ďalej šírila hladko. Tento jav sa nazýva odraz a môže poškodiť kvalitu signálu.

Čo spôsobuje zhoršenie kvality signálu?

Neočakávané zmeny šírky trasy.

Nerovnomernosti impedance.

Zlé prechody medzi vrstvami.

Zlé smerovanie adaptéra.

Ostré geometrické úpravy.

Dlhé neukončené signálové vedenia.

Prečo vznikajú problémy s rozmermi

Šírka vodivého spoja ovplyvňuje jeho elektrické vlastnosti. Širšie vodivé spoje zvyčajne majú nižšiu odolnosť voči rušeniu, zatiaľ čo užšie vodivé spoje majú vyššiu odolnosť voči rušeniu. Pri návrhu dosiek plošných spojov pre vysokorýchlostné aplikácie je to veľmi dôležité, pretože signály musia prechádzať predvídateľne. Ak sa odpor nezohľadní správne, môže to viesť k rušeniu, chybám v časovaní alebo poškodeniu dát.

Odporúčané postupy na minimalizáciu nepresností

Udržiavať konštantnú šírku vodivých spojov.

Použiť odpor tam, kde je potrebný.

Vyhnúť sa náhlym zmenám geometrie.

Použiť vhodné ukončenie vysokorýchlostných vedení.

Udržiavať vedenia čo najkratšie a priame.

Rôzne šumové stopy od jemných.

Keď sa znázornenie stane problémom

Reprezentácia signálu je obzvlášť dôležitá pri:

Diferenciálnych USB spojeniach.

Prenose LVDS.

Návrhu RF dosiek plošných spojov.

Rýchlych digitálnych zberničiach.

Hodinových vodičoch.

Vysokofrekvenčných interakčných spojoch.

Prípadová štúdia: Nestabilný hodinový signál

Obvodová doska mala opakujúce sa digitálne chyby v čiarke vysokorýchlostného hodinového signálu. Problém vyvolala stopa, ktorá náhle zmenila svoju šírku pri pripojení. Táto malá zmena geometrie spôsobila problém. Po upravení stopy tak, aby mala rovnakú šírku po celej dĺžke, chyby zmizli.  

Najlepšie postupy pre návrh stôp na DPS

Správne vytváranie stôp patrí medzi najrýchlejšie spôsoby zlepšenia kvality dosky. Výborný návrh stôp prispieva k tepelnej bezpečnosti, presnosti signálov a tvorbe návratovej cesty. Okrem toho je doska neskôr ľahšie skúšať a spravovať.

Základné najlepšie postupy

Vyberte šírku stopy na základe prúdu.

Pre napájací obvod použite širšie stopy.

Udržiavajte vysokorýchlostné stopy krátke a priame.

Vyhnite sa smerovaniu citlivých signálov v blízkosti šumových komponentov.

Dodržiavajte správne rozostupy medzi stopami.

Používajte čistú uzemňovaciu vrstvu.

Použite DRC pred výrobou.

Ďalšie tipy.

Použite uzemnené plochy na tepelnú podporu.

Zahrňte zmenšenia pre výkonnejšie spojenia medzi ploškami.

Smerujte trasy pod uhlom 45 stupňov.

Použite diferenčné vedenie pre vyvážené signály.

Zvážte impedanciu pre RF a vysokorýchlostné linky.

Modelovanie a kontrola pred konečnou výrobou.

Tabuľka najlepších praktík

Prečo vznikajú problémy s kompetenciou stopy PCB pri návrhu a výrobe dosiek PCB.

Porozumenie postupom týkajúcim sa stôp PCB je kľúčové, pretože stopy ovplyvňujú takmer každú časť kvality vrchného povrchu dosky. Konkrétne ovplyvňujú spôsob, akým doska vedie prúd, množstvo generovaného šumu, množstvo generovaného tepla a tiež to, ako dobre sa dá doska vyrábať. Pri výrobe dosiek PCB musia šírka a rozstupy stôp navyše zodpovedať výrobnému procesu. Ak návrhár tieto požiadavky nepreberie do úvahy, doska môže byť ťažko alebo dokonca nemožne správne vyrobiť.  

Problémy s porozumením stôp PCB pre:

Stabilitu dosky PCB.

Vedenie prúdu na doske PCB.

Tepelné účinky na doske PCB.

Kvalitu signálu na doske PCB.

Výrobnosť dosky PCB.

Opraviteľnosť dosky PCB.

Prečo výrobné tímy terapia

Výrobcovia oceňujú:

Obmedzenia leptania.

Minimálna šírka vodivých dráh.

Vzdialenosť medzi vodivými dráhami.

Hustota medi.

Usporiadanie vrstiev.

Zhoda s pravidlami pre výrobu (DFM).

Prečo montážne tímy liečba.

Nastavovacie tímy oceňujú:

Spájateľnosť.

Tepelná cirkulácia krvi.

Umiestnenie súčiastok.

Obnovenie prístupu.

Trvanlivosť dosky.

Prečo dizajnéri uplatňujú liečbu

Liečba vývojárov s ohľadom na to, že činnosti stopy ovplyvňujú:

Stabilita napätia.

Zníženie hluku.

Dôveryhodnosť signálu.

Životnosť prvku.

Bezpečnosť a zabezpečenie systému.

Často kladené otázky

Ako presne určím vhodnú šírku vodiča na DPS?

Použite kalkulačku pre šírku vodiča na DPS alebo návrhový vzorec založený na prúde, hustote medi, teplote a povolenom úbytku napätia.

V čom sa líšia vodiče mikropásikových a striplinových obvodov?

Mikropásikový vodič je umiestnený na vonkajšej vrstve, zatiaľ čo striplinový vodič sa nachádza medzi vnútornými vrstvami. Striplinové vodiče sú zvyčajne lepšie chránené.

Ako presne ovplyvňujú povrchy vodičov na DPS spájateľnosť a účinnosť?

Povrch vodičov ovplyvňuje kvalitu spoja pri spájkovaní, odolnosť medi voči oxidácii a spoľahlivosť výsledného spoja.

Aké sú bežné príčiny poruchy vodičov na DPS?

Bežné príčiny zahŕňajú prehrievanie, odštiepenie vrstiev (delamináciu), nadmerné leptanie, chybné vedenie signálov, prekrytie signálov (crosstalk) a mechanické poškodenia.  

Jednoducho: Ako sa vytvárajú vodivé dráhy na DPS pre vysokorýchlostné a vysokofrekvenčné formáty?

Stávajú sa viac kontrolovanými z hľadiska impedancie, oveľa presnejšie prenášanými a oveľa viac závislými od vrstvenia a simulácie.

Ako môžu začínajúci návrhári zlepšiť návrh vodivých dráh na DPS?

Začnite s vhodnými rozmermi vodivých dráh, udržiavajte ich čo najkratšie, používajte uzemňovacie roviny, dodržiavajte pravidlá kontroly návrhu (DRC) a navrhujte čo najskôr.