Que é o control de impedancia e como realizar o control de impedancia nos PCB

No deseño de dispositivos electrónicos modernos, os PCB xogan un papel crucial. O rendemento dos PCB afecta directamente a estabilidade, fiabilidade e eficiencia de transmisión de todo o sistema electrónico. Entre eles, o control de impedancia é unha parte importante do deseño de PCB. Dado que os circuítos dixitais modernos teñen tempos de transmisión de sinal máis curtos e velocidades de reloxo máis altas, as trazas de PCB xa non son conexións simples, senón liñas de transmisión correspondentes. O control de impedancia da PCB refírese ao control da velocidade de transmisión e da coincidencia de impedancia dos sinais na PCB para garantir a calidade e estabilidade da transmisión do sinal.

En situacións prácticas, é necesario controlar a impedancia da traza cando a velocidade marxinal dixital é superior a 1 ns ou a frecuencia analóxica supera os 300 MHz. Un dos parámetros fundamentais da traza PCB é a súa impedancia característica (é dicir, a relación entre a tensión e a corrente cando a onda se transmite ao longo da liña de transmisión do sinal). A impedancia característica dos fíos en PCB é un indicador importante do deseño de PCB. Especialmente no deseño de PCB de alta frecuencia, é necesario considerar se a impedancia característica do fío é consistente ou coincide coa impedancia característica requirida do dispositivo ou do sinal. Isto implica 2 conceptos: control de impedancia e adaptación de impedancia. Este artigo céntrase nos problemas de control de impedancia e deseño de pilas.

Hai varios sinais transmitidos nos condutores da PCB. Para mellorar a súa velocidade de transmisión, hai que aumentar a súa frecuencia. O valor de impedancia do propio circuíto varía debido a factores como o gravado, o grosor da capa e o ancho do fío, etc., que provocan a distorsión do sinal. Polo tanto, o valor de impedancia dos condutores en PCB de alta velocidade debe controlarse dentro dun determinado rango, que se denomina "control de impedancia".

A impedancia das trazas de PCB está determinada pola súa inductancia indutiva e capacitiva, resistencia e coeficiente de condutividade. Os factores que afectan á impedancia do cableado do PCB inclúen principalmente o ancho e o grosor do fío de cobre, a constante dieléctrica e o grosor do medio, o grosor da almofada de soldadura, o camiño do fío de terra e o cableado ao redor do cableado. etc. O rango de impedancia da PCB é de 25 a 120 ohmios.

Na práctica, as liñas de transmisión de PCB consisten normalmente nun trazo de cable, unha ou máis capas de referencia e materiais de illamento. A traza e a capa constitúen a impedancia de control. Os PCB adoitan adoptar estruturas multicapa e o control de impedancia tamén se pode construír de varias maneiras. Non obstante, independentemente do método utilizado, o valor da impedancia virá determinado pola súa estrutura física e as propiedades electrónicas do material illante:

Unha microtira é unha tira de fío que se refire a unha liña de transmisión con só un lado que ten un plano de referencia. A parte superior e os lados están expostos ao aire (ou están revestidos) e están situados na superficie dunha constante de illamento Er PCB, coa capa de potencia ou terra como referencia. Como se mostra na seguinte figura:

Nota: Na fabricación real de PCB, a fábrica de PCB adoita recubre unha capa de tinta verde na superficie do PCB. Polo tanto, nos cálculos de impedancia reais, o modelo que se mostra na seguinte figura adoita utilizarse para liñas de microstrip de superficie.

Unha liña de banda é unha tira de fío colocada entre 2 planos de referencia, como se mostra na seguinte figura. As constantes dieléctricas do dieléctrico representado por H1 e H2 poden ser diferentes.

Os dous casos anteriores son só unha demostración típica de microstrip e striplines, normalmente usados ​​para a aprendizaxe de hardware intelixente IoT e outros sistemas integrados. Hai moitos tipos específicos de microstrip e striplines, como microstrip revestido, que están relacionados coa estrutura específica de apilado dos PCB.

A ecuación utilizada para calcular a impedancia característica require cálculos matemáticos complexos, normalmente utilizando métodos de resolución de campos, incluíndo a análise de elementos de límite. Polo tanto, co uso do software especializado de cálculo de impedancia SI9000, todo o que temos que facer é controlar os parámetros da impedancia característica:

A constante dieléctrica Er da capa de illamento, o ancho de cableado W1 e W2 (trapezoidal), o espesor de cableado T e o grosor da capa de illamento H.

W: ancho de liña deseñado

A - perda de gravado (ver táboa anterior)

A razón da anchura inconsistente entre a parte superior e inferior da liña é que durante o proceso de fabricación de PCB, a corrosión ocorre de arriba a abaixo, o que resulta nunha forma trapezoidal da liña corroída.

Hai unha relación correspondente entre o grosor da liña T e o espesor de cobre desta capa, como segue:

* Debido á pequena influencia do grosor da máscara de soldadura na impedancia, suponse que é un valor constante de 0,5 mil.

Podemos conseguir o control da impedancia controlando estes parámetros. Tomando como exemplo a PCB inferior de Anwei, explicaremos os pasos do control de impedancia e o uso de SI9000:

A segunda capa é o plano de terra, a quinta é o plano de potencia e as capas restantes son as capas de sinal.

Explicación: o dieléctrico entre as capas intermedias é FR-4, cunha constante dieléctrica de 4,2; As capas superior e inferior son capas espidas que entran en contacto directo co aire e a constante dieléctrica do aire é 1.

Os deseñadores de PCB poden utilizar plenamente a estrutura xerárquica dos PCB para lograr o control da impedancia. Ao colocar diferentes capas de sinal en diferentes posicións de capa, pódese controlar eficazmente a capacitancia e a inductancia entre capas. En xeral, a capa interna usa materiais de alta impedancia e a capa exterior utiliza materiais de baixa impedancia para reducir o impacto da reflexión e da diafonía.

As liñas de transmisión de sinal diferencial poden proporcionar unha mellor capacidade anti-interferencia e un menor risco de diafonía. As liñas de transmisión de sinal diferencial son un par de fíos paralelos con voltaxes opostas pero iguais tamaños, que poden proporcionar unha mellor integridade do sinal e capacidade anti-interferencia. A impedancia das liñas de transmisión de sinal diferencial adoita controlarse mediante a selección de espazamento, ancho e plano de terra.

Os parámetros xeométricos como o ancho da liña de PCB, o espazamento e o deseño tamén se poden usar para controlar a impedancia. Para liñas microstrip comúns, un ancho de liña máis groso e un espazo máis grande poden reducir a impedancia. Para liñas coaxiais, os diámetros interiores máis pequenos e os radios exteriores maiores poden aumentar a impedancia. A selección da xeometría do cableado require unha optimización baseada en requisitos específicos de impedancia e frecuencia do sinal.

A constante dieléctrica dos materiais PCB tamén afecta á impedancia. A elección de materiais con propiedades dieléctricas estables forma parte do control da impedancia. En aplicacións de alta frecuencia e alta velocidade, os materiais de uso común inclúen os laminados FR-4 (placa reforzada con fibra de vidro), PTFE (politetrafluoroetileno) e RF (radiofrecuencia).

Antes do deseño de PCB, o uso de ferramentas de simulación e deseño pode axudar aos deseñadores a verificar e optimizar a impedancia de forma rápida e precisa. Estas ferramentas poden simular o comportamento do circuíto, as perdas de transmisión de sinal e as interaccións electromagnéticas para determinar os parámetros óptimos de deseño de PCB. Algunhas ferramentas de simulación comúns inclúen CST Studio Suite, HyperLynx e ADS.

O control de impedancia de PCB xoga un papel crucial nos circuítos analóxicos e dixitais de alta velocidade. Mediante un deseño xerárquico razoable, o uso de liñas de transmisión de sinal diferencial, o control da xeometría do cableado, a selección de materiais de PCB axeitados e o uso de ferramentas de simulación e deseño, pódese conseguir un control preciso da impedancia, mellorando así o rendemento do circuíto e a integridade do sinal.