PCB走線寬度在PCB設(shè)計(jì)中的重要性

在下一個(gè)PCB原型的PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，有幾個(gè)因素會(huì)影響走線的寬度，長(zhǎng)度和樣式。本文將深入探討各種需要特定走線布局特征以及如何或何時(shí)將它們納入您的PCB設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

什么是走線寬度？

讓我們從基礎(chǔ)開(kāi)始。跡線寬度到底是什么？為什么指定特定的跡線寬度如此重要？PCB走線的目的是將任何一種電信號(hào)（無(wú)論是模擬，數(shù)字還是電源）從一個(gè)結(jié)點(diǎn)連接到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)。

結(jié)點(diǎn)可以是組件的引腳，較大跡線或平面的分支，也可以是用于探測(cè)的空焊盤(pán)或測(cè)試點(diǎn)。跡線寬度通常以密耳或數(shù)千英寸為單位。普通信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)走線寬度（無(wú)特殊要求）可能在7-12密耳范圍內(nèi)，長(zhǎng)達(dá)幾英寸，但是在定義走線的寬度和長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮許多因素。

該應(yīng)用程序通常會(huì)驅(qū)動(dòng)PCB設(shè)計(jì)中的走線寬度和走線類(lèi)型，并且在某個(gè)時(shí)候，通常在PCB制造成本，電路板密度/尺寸和性能方面保持平衡。如果電路板具有特定的設(shè)計(jì)要求，例如速度優(yōu)化，噪聲或耦合抑制或高電流/電壓，則跡線的寬度和類(lèi)型可能比優(yōu)化裸PCB的制造成本或整體電路板尺寸更為重要。

PCB制造中與走線相關(guān)的規(guī)范

通常，以下與走線有關(guān)的規(guī)格開(kāi)始增加裸露的PCB制造成本。

由于更嚴(yán)格的PCB公差和制造，檢查或測(cè)試PCB所需的高端設(shè)備，成本變得相當(dāng)高：

l 跡線寬度小于5密耳（0.005英寸）

l 跡線間距小于5密耳

l 直徑小于8密耳的通孔

l 痕跡厚度小于或等于1盎司（等于1.4密耳）

l 差分對(duì)和受控長(zhǎng)度或走線阻抗

結(jié)合了PCB占用空間的高密度設(shè)計(jì)，例如極細(xì)間距的BGA或高信號(hào)計(jì)數(shù)的并行總線，可能需要2.5密耳的走線寬度，以及直徑不超過(guò)6密耳的特殊類(lèi)型的通孔，例如激光鉆孔的微通孔。相反，某些高功率設(shè)計(jì)可能需要非常大的走線或平面，從而消耗了整個(gè)層，并且澆注的盎司量比標(biāo)準(zhǔn)的要厚。在空間受限的應(yīng)用中，可能需要非常薄的板，其中包含幾層并且有限的銅澆注厚度為半盎司（0.7密耳厚度）。

在另一些情況下，從一個(gè)外設(shè)到另一個(gè)外設(shè)進(jìn)行高速通信的設(shè)計(jì)可能需要走線具有受控的阻抗以及彼此之間的特定寬度和間距，以最大程度地減少反射和電感耦合?；蛘咴O(shè)計(jì)可能需要一定的長(zhǎng)度才能匹配總線中的其他相關(guān)信號(hào)。高壓應(yīng)用需要某些安全功能，例如最小化兩個(gè)暴露的差分信號(hào)之間的距離，以防止產(chǎn)生電弧。無(wú)論特征或特性如何，跟蹤定義都很重要，因此讓我們探索各種應(yīng)用程序。

各種走線寬度和厚度

PCB通常包含多種走線寬度，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于信號(hào)的需求（如圖1所示）。所示的較細(xì)跡線是針對(duì)通用TTL（晶體管-晶體管邏輯）電平信號(hào)的，對(duì)大電流或噪聲保護(hù)沒(méi)有特殊要求。

這些將是電路板上最常見(jiàn)的走線類(lèi)型。

較粗的走線已針對(duì)電流承載能力進(jìn)行了優(yōu)化，可用于需要更高功率的外圍設(shè)備或與電源相關(guān)的功能，例如風(fēng)扇，電動(dòng)機(jī)以及向較低級(jí)別組件的常規(guī)電源傳輸。在圖的左上部分甚至顯示了一個(gè)差分信號(hào)（USB高速），其定義的特定間距和寬度可滿足90Ω的阻抗要求。圖2顯示了一塊稍微密集的電路板，該電路板具有6層，并且需要一個(gè)BGA（球柵陣列）組件，需要更細(xì)的走線。

PCB走線寬度如何計(jì)算？

讓我們逐步完成為功率信號(hào)計(jì)算一定跡線寬度的過(guò)程，該功率信號(hào)將電流從一個(gè)功率組件傳遞到外圍設(shè)備。在此示例中，我們將計(jì)算用于直流電動(dòng)機(jī)的電源路徑的最小走線寬度。功率路徑始于保險(xiǎn)絲，穿過(guò)H橋（用于管理跨DC電機(jī)繞組的功率傳輸?shù)慕M件），并終止于電機(jī)的連接器。直流電動(dòng)機(jī)所需的平均連續(xù)最大電流約為2安培。

現(xiàn)在，PCB走線充當(dāng)電阻器，走線越長(zhǎng)和越窄，添加的電阻就越大。如果走線定義不正確，那么大電流可能會(huì)損壞走線和/或給電機(jī)帶來(lái)明顯的電壓降（導(dǎo)致速度降低）。圖3中所示的NetC21_2長(zhǎng)約0.8英寸，最大需要承載2安培的電流。如果我們假設(shè)一些常規(guī)情況，例如1盎司銅的澆注量和正常運(yùn)行期間的室溫，則需要計(jì)算最小走線寬度和在該寬度下的預(yù)期壓降。

如何計(jì)算PCB走線電阻？

以下是用于跡線面積的方程式：

面積[mils2] =（電流[Amps] /（k *（Temp_Rise [°C]）^ b））^（1 / c），其中遵循IPC外部層（或頂部/底部）準(zhǔn)則，k = 0.048， b = 0.44，c = 0.725。請(qǐng)注意，我們真正需要插入的唯一變量是current。

在下面的方程式中使用該區(qū)域?qū)槲覀兲峁┍匾膶挾?，該寬度告訴我們承載電流而沒(méi)有任何潛在問(wèn)題所需的走線寬度：

寬度[mils] =面積[mils ^ 2] /（厚度[oz] * 1.378 [mils / oz]），其中1.378與標(biāo)準(zhǔn)1盎司澆注厚度相關(guān)。

通過(guò)在上述計(jì)算中插入2安培電流，我們得到的走線最小值至少為30密耳。

但這并不能告訴我們電壓降將是多少。這涉及更多，因?yàn)樗枰?jì)算走線的電阻，可以按照?qǐng)D4所示的公式進(jìn)行計(jì)算。

在該公式中，ρ=銅的電阻率，α=銅的溫度系數(shù)，T =跡線厚度，W =跡線寬度，L =跡線長(zhǎng)度，t =溫度。如果將所有相關(guān)值插入30mils寬度的0.8英寸長(zhǎng)的走線中，我們發(fā)現(xiàn)走線電阻約為0.03？并會(huì)降低約26mV的電壓，這對(duì)于該應(yīng)用而言還可以。了解什么會(huì)影響這些值會(huì)很有幫助。

PCB走線間距和長(zhǎng)度

對(duì)于具有高速通信的數(shù)字設(shè)計(jì)，可能需要特定的間距和調(diào)整的長(zhǎng)度，以最大程度地減少串?dāng)_，耦合和反射。為此，一些常見(jiàn)的應(yīng)用是基于USB的串行差分信號(hào)和基于RAM的并行差分信號(hào)。通常，USB 2.0將需要以480Mbit / s（USB高速等級(jí)）或更高的速度進(jìn)行差分對(duì)路由。這部分是因?yàn)楦咚?/span>USB通常在低得多的電壓和差分下工作，從而使總信號(hào)電平更接近本底噪聲。

有路由高速USB線時(shí)要考慮三個(gè)重要的事情：線寬，引線間隔和走線長(zhǎng)度。

所有這些都很重要，但是三個(gè)中最關(guān)鍵的是確保兩條走線的長(zhǎng)度盡可能匹配。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，如果走線的長(zhǎng)度彼此之間相差不超過(guò)50密耳（對(duì)于高速USB），則會(huì)顯著增加發(fā)生反射的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致通信不良。90歐姆匹配阻抗是差分對(duì)布線的通用規(guī)范，要實(shí)現(xiàn)此目的，應(yīng)在寬度和間距上優(yōu)化走線。

圖5顯示了為高速USB接口布線的差分對(duì)的示例，該差分對(duì)在15 mil的間隔內(nèi)包含12 mil寬的走線。

包含并行接口的基于內(nèi)存的組件的接口（例如DDR3-SDRAM）在走線長(zhǎng)度方面將受到更嚴(yán)格的限制。大多數(shù)高端PCB設(shè)計(jì)軟件將具有長(zhǎng)度調(diào)整功能，可優(yōu)化走線長(zhǎng)度，以匹配并行總線中的所有相關(guān)信號(hào)。圖6顯示了具有長(zhǎng)度調(diào)整的走線的DDR3布局的示例。

地面填充的跡線和平面

帶有噪聲敏感組件的某些應(yīng)用（例如無(wú)線芯片或天線）可能需要一點(diǎn)額外的保護(hù)。設(shè)計(jì)帶有嵌入式接地過(guò)孔的走線和平面可以極大地幫助最大程度地減少附近走線或平面拾取的耦合以及爬入板邊緣的板外信號(hào)。

圖7顯示了一個(gè)藍(lán)牙模塊的示例，該模塊放置在板的邊緣附近，其天線（通過(guò)絲網(wǎng)印刷“ ANT”標(biāo)記）在一條厚的走線外部，該走線包含連接到接地層的嵌入式過(guò)孔。這有助于將天線與其他板載電路和平面隔離。

這種通過(guò)地埋的走線（在這種情況下為多邊形平面）的另一種方法可用于保護(hù)板電路免受外界的板外無(wú)線信號(hào)的影響。圖8顯示了一個(gè)噪聲敏感的PCB，其沿板的周邊具有接地通孔嵌入式平面。

PCB布線的最佳實(shí)踐

許多因素決定著PCB領(lǐng)域的走線特性，因此在布線下一塊PCB時(shí)，請(qǐng)務(wù)必遵循最佳實(shí)踐，您會(huì)發(fā)現(xiàn)PCB晶圓廠成本，電路密度和整體性能之間達(dá)到平衡。

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