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 oordragdoeltreffendheid van die hele elektroniese stelsel. Impedansiebeheer is onder andere 'n belangrike deel van PCB-ontwerp. Aangesien moderne digitale stroombane korter seinoordragtye en hoër klokspoed het, is PCB-spore nie meer eenvoudige verbindings nie, maar ooreenstemmend transmissielyne. PCB-impedansiebeheer verwys na die beheer van die oordragspoed en impedansie-ooreenstemming van seine op die PCB om die kwaliteit en stabiliteit van seinoordrag te verseker.

In praktiese situasies is dit nodig om die spoorimpedansie te beheer wanneer die digitale marginale snelheid hoër as 1 ns is of die analoogfrekwensie 300 MHz oorskry. Een van die sleutelparameters van die PCB-spoor is die kenmerkende impedansie daarvan (d.w.s. die verhouding van spanning tot stroom wanneer die golf langs die sein-oordraglyn 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 twee konsepte: impedansiebeheer en impedansie-aanpassing. Hierdie artikel fokus op die kwessies van impedansiebeheer en stapelontwerp.

Daar word verskeie seine in die geleiers van die PCB oorgedra. Om die oordragspoed te verbeter, moet die 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 die breedte en dikte van die koperdraad, die diëlektriese konstante en dikte van die medium, die dikte van die soldeerplaat, die pad van die gronddraad, en die bedrading rondom die bedrading, ens. Die reeks van 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 gebruik dikwels meerlaagstrukture, en impedansiebeheer kan ook op verskeie maniere gekonstrueer word. Ongeag die metode wat gebruik word, sal die impedansiewaarde egter bepaal word deur die fisiese struktuur en die elektroniese eienskappe van die isolasiemateriaal:

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

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

Die bogenoemde 2 gevalle is slegs 'n tipiese demonstrasie van mikrostrip en strooklyne, wat gewoonlik gebruik word vir die aanleer van ingebedde IoT intelligente hardeware en ander stelsels. Daar is baie spesifieke tipes mikrostrip en strooklyne, soos bedekte mikrostrip, 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 behulp van gespesialiseerde impedansieberekeningsagteware SI9000, hoef ons net die parameters van kenmerkende impedansie te beheer:

Die diëlektriese konstante Er van die isolasielaag, die bedradingswydtes W1 en W2 (trapesiumvormig), die bedradingsdikte T, en die isolasielaagdikte H.

W – ontwerpte lynwydte

A – etsverlies (sien tabel hierbo)

Die rede vir die inkonsekwente breedte tussen die bo- en onderkant van die lyn is dat korrosie tydens die vervaardigingsproses van PCB's van bo na onder plaasvind, wat lei tot 'n trapesiumvormige vorm van die gekorrodeerde 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 die soldeermaskerdikte op impedansie, word dit aanvaar as 'n konstante waarde van 0.5mil.

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 konstante 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 hoëimpedansiemateriale en die buitenste laag laeimpedansiemateriale om die impak van weerkaatsing en kruisspraak te verminder.

Differensiële sein-oordraglyne kan beter anti-interferensievermoë en laer kruisspraakrisiko bied. Differensiële sein-oordraglyne is 'n paar parallelle drade met teenoorgestelde spannings maar gelyke groottes, wat beter seinintegriteit en anti-interferensievermoë kan bied. Die impedansie van differensiële sein-oordraglyne 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 mikrostriplyne kan dikker lynwydte en groter spasiëring impedansie verminder. Vir koaksiale lyne kan kleiner binneste lyndiameters en groter buitenste lynradius impedansie verhoog. Die keuse van bedradingsgeometrie vereis optimalisering gebaseer op spesifieke impedansievereistes en seinfrekwensie.

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 (politetrafluoroëtileen) en RF (radiofrekwensie) laminate in.

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

PCB-impedansiebeheer speel 'n belangrike rol in hoëspoed digitale en analoog stroombane. Deur redelike hiërargiese ontwerp, die gebruik van differensiële sein-oordraglyne, beheer van bedradingsgeometrie, keuse van toepaslike PCB-materiale, en die gebruik van simulasie- en ontwerpinstrumente, kan presiese impedansiebeheer bereik word, wat stroombaanprestasie en seinintegriteit verbeter.