Wat is impedansiebeheer en hoe om impedansiebeheer op PCB's uit te voer

In die ontwerp van moderne elektroniese toestelle speel PCB's 'n deurslaggewende rol. Die werkverrigting van PCB's beïnvloed direk die stabiliteit, betroubaarheid en transmissiedoeltreffendheid van die hele elektroniese stelsel. Onder hulle is impedansiebeheer 'n belangrike deel van PCB-ontwerp. Aangesien moderne digitale stroombane korter seinoordragtye en hoër kloktempo's het, is PCB-spore nie meer eenvoudige verbindings nie, maar transmissielyne dienooreenkomstig. PCB-impedansiebeheer verwys na die beheer van die transmissiespoed en impedansie-passing van seine op die PCB om die kwaliteit en stabiliteit van seintransmissie te verseker.

In praktiese situasies is dit nodig om die spoorimpedansie te beheer wanneer die digitale marginale snelheid hoër as 1ns is of die analoogfrekwensie 300MHz oorskry. Een van die sleutelparameters van PCB-spoor is sy kenmerkende impedansie (dws die verhouding van spanning tot stroom wanneer die golf langs die seintransmissielyn oorgedra word). Die kenmerkende impedansie van drade op PCB's is 'n belangrike aanduiding van PCB-ontwerp. Veral in die hoëfrekwensie PCB-ontwerp, is dit nodig om te oorweeg of die kenmerkende impedansie van die draad ooreenstem met of ooreenstem met die vereiste kenmerkende impedansie van die toestel of sein. Dit behels 2 konsepte: impedansiebeheer en impedansiepassing. Hierdie artikel fokus op die kwessies van impedansiebeheer en stapelontwerp.

Daar is verskeie seine wat in die geleiers van die PCB oorgedra word. Om sy transmissietempo te verbeter, moet sy frekwensie verhoog word. Die impedansiewaarde van die stroombaan self wissel as gevolg van faktore soos ets, laagdikte en draadwydte, ens., wat seinvervorming veroorsaak. Daarom moet die impedansiewaarde van geleiers op hoëspoed-PCB's binne 'n sekere reeks beheer word, wat "impedansiebeheer" genoem word.

Die impedansie van PCB-spore word bepaal deur hul induktiewe en kapasitiewe induktansie, weerstand en geleidingskoëffisiënt. Die faktore wat die impedansie van PCB-bedrading beïnvloed, sluit hoofsaaklik in die breedte en dikte van die koperdraad, die diëlektriese konstante en dikte van die medium, die dikte van die soldeerblok, die pad van die gronddraad en die bedrading rondom die bedrading, ens. Die reeks PCB-impedansie is 25 tot 120 ohm.

In die praktyk bestaan ​​PCB-transmissielyne tipies uit 'n draadspoor, een of meer verwysingslae en isolasiemateriaal. Die spoor en laag vorm die beheerimpedansie. PCB's neem dikwels multi-laag strukture aan, en impedansiebeheer kan ook op verskeie maniere gebou word. Ongeag die metode wat gebruik word, sal die impedansiewaarde egter bepaal word deur sy fisiese struktuur en die elektroniese eienskappe van die isolerende materiaal:

'n Mikrostrook is 'n strook draad wat verwys na 'n transmissielyn met slegs een kant met 'n verwysingsvlak. Die bokant en sye word aan lug blootgestel (of word bedek) en is op die oppervlak van 'n isolasiekonstante Er PCB geleë, met die krag- of grondlaag as verwysing. Soos getoon in die volgende figuur:

Let wel: In die werklike PCB-vervaardiging bedek die PCB-fabriek gewoonlik 'n laag groen ink op die oppervlak van die PCB. Daarom, in werklike impedansieberekeninge, word die model wat in die volgende figuur getoon word, gewoonlik vir oppervlakmikrostriplyne gebruik.

'n Strooklyn is 'n strook draad wat tussen 2 verwysingsvlakke geplaas word, soos in die volgende figuur getoon. Die diëlektriese konstantes van die diëlektrikum wat deur H1 en H2 voorgestel word, kan verskil.

Bogenoemde 2 gevalle is net 'n tipiese demonstrasie van mikrostrook en strooklyne, wat gewoonlik gebruik word vir die aanleer van ingebedde IoT intelligente hardeware en ander stelsels. Daar is baie spesifieke tipes mikrostrook en strooklyne, soos bedekte mikrostrook, wat verband hou met die spesifieke stapelstruktuur van PCB's.

Die vergelyking wat gebruik word om kenmerkende impedansie te bereken vereis komplekse wiskundige berekeninge, gewoonlik met behulp van veldoplossingsmetodes, insluitend grenselementanalise. Daarom, met die gebruik van gespesialiseerde impedansieberekeningsagteware SI9000, hoef ons net die parameters van kenmerkende impedansie te beheer:

Die diëlektriese konstante Er van die isolasielaag, die bedradingwydte W1 en W2 (trapeziumvormig), die bedradingdikte T en die isolasielaagdikte H.

W – ontwerpte lynwydte

A – etsverlies (sien tabel hierbo)

Die rede vir die teenstrydige breedte tussen die bo- en onderkant van die lyn is dat tydens die vervaardigingsproses van PCB's, korrosie van bo na onder voorkom, wat lei tot 'n trapesiumvorm van die geroeste lyn.

Daar is 'n ooreenstemmende verband tussen die lyndikte T en die koperdikte van hierdie laag, soos volg:

* As gevolg van die klein invloed van soldeermaskerdikte op impedansie, word aanvaar dat dit 'n konstante waarde van 0.5mil is.

Ons kan impedansiebeheer bereik deur hierdie parameters te beheer. Deur Anwei se onderste PCB as voorbeeld te neem, sal ons die stappe van impedansiebeheer en die gebruik van SI9000 verduidelik:

Die tweede laag is die grondvlak, die vyfde laag is die kragvlak, en die oorblywende lae is die seinlae.

Verduideliking: Die diëlektriese tussen die tussenlae is FR-4, met 'n diëlektriese konstante van 4.2; Die boonste en onderste lae is kaal lae wat in direkte kontak met lug kom, en die diëlektriese konstante van die lug is 1.

PCB-ontwerpers kan die hiërargiese struktuur van PCB's ten volle benut om impedansiebeheer te bereik. Deur verskillende seinlae in verskillende laagposisies te plaas, kan tussenlaagkapasitansie en induktansie effektief beheer word. Oor die algemeen gebruik die binneste laag hoë-impedansie-materiale en die buitenste laag gebruik lae-impedansie-materiale om die impak van refleksie en oorspraak te verminder.

Differensiële sein transmissielyne kan beter anti-interferensie vermoë en laer oorspraak risiko bied. Differensiële sein transmissielyne is 'n paar parallelle drade met teenoorgestelde spannings maar gelyke groottes, wat beter seinintegriteit en anti-interferensie vermoë kan bied. Die impedansie van differensiële sein transmissielyne word gewoonlik beheer deur die keuse van lynspasiëring, breedte en grondvlak.

Geometriese parameters soos PCB-lynwydte, spasiëring en uitleg kan ook gebruik word om impedansie te beheer. Vir algemene mikrostrooklyne kan dikker lynwydte en groter spasiëring impedansie verminder. Vir koaksiale lyne kan kleiner binnelyndiameters en groter buitenste lynradiusse impedansie verhoog. Die keuse van bedrading meetkunde vereis optimalisering gebaseer op spesifieke impedansie vereistes en sein frekwensie.

Die diëlektriese konstante van PCB-materiale beïnvloed ook impedansie. Die keuse van materiale met stabiele diëlektriese eienskappe is deel van impedansiebeheer. In hoëfrekwensie- en hoëspoedtoepassings sluit algemeen gebruikte materiale FR-4 (glasveselversterkte bord), PTFE (polytetrafluoroethylene) en RF (radiofrekwensie) laminate in.

Voor PCB-ontwerp kan die gebruik van simulasie- en ontwerpinstrumente ontwerpers help om vinnig en akkuraat impedansie te verifieer en te optimaliseer. Hierdie gereedskap kan kringgedrag, seinoordragverliese en elektromagnetiese interaksies simuleer om die optimale PCB-ontwerpparameters te bepaal. Sommige algemene simulasie-instrumente sluit CST Studio Suite, HyperLynx en ADS in.

PCB-impedansiebeheer speel 'n deurslaggewende rol in hoëspoed digitale en analoog stroombane. Deur redelike hiërargiese ontwerp, die gebruik van differensiële sein transmissielyne, beheer van bedrading meetkunde, keuse van toepaslike PCB materiaal, en die gebruik van simulasie en ontwerp gereedskap, kan presiese impedansie beheer bereik word, waardeur die kring werkverrigting en sein integriteit verbeter.