Apakah kawalan impedans dan cara melaksanakan kawalan impedans pada PCB

Dalam reka bentuk peranti elektronik moden, PCB memainkan peranan penting. Prestasi PCB secara langsung mempengaruhi kestabilan, kebolehpercayaan dan kecekapan penghantaran keseluruhan sistem elektronik. Antaranya, kawalan impedans merupakan bahagian penting dalam reka bentuk PCB. Memandangkan litar digital moden mempunyai masa penghantaran isyarat yang lebih pendek dan kadar jam yang lebih tinggi, jejak PCB bukan lagi sambungan mudah, tetapi talian penghantaran yang sepadan. Kawalan impedans PCB merujuk kepada mengawal kelajuan penghantaran dan pemadanan impedans isyarat pada PCB untuk memastikan kualiti dan kestabilan penghantaran isyarat.

Dalam situasi praktikal, adalah perlu untuk mengawal impedans jejak apabila halaju marginal digital lebih tinggi daripada 1ns atau frekuensi analog melebihi 300MHz. Salah satu parameter utama jejak PCB ialah impedans cirinya (iaitu nisbah voltan kepada arus apabila gelombang dihantar sepanjang talian penghantaran isyarat). Impedans ciri wayar pada PCB merupakan petunjuk penting dalam reka bentuk PCB. Terutamanya dalam reka bentuk PCB frekuensi tinggi, adalah perlu untuk mempertimbangkan sama ada impedans ciri wayar adalah konsisten atau sepadan dengan impedans ciri yang diperlukan bagi peranti atau isyarat. Ini melibatkan 2 konsep: kawalan impedans dan pemadanan impedans. Artikel ini memberi tumpuan kepada isu kawalan impedans dan reka bentuk tindanan.

Terdapat pelbagai isyarat yang dihantar dalam konduktor PCB. Untuk meningkatkan kadar penghantarannya, frekuensinya mesti ditingkatkan. Nilai impedans litar itu sendiri berbeza-beza disebabkan oleh faktor-faktor seperti ukiran, ketebalan lapisan dan lebar wayar, dan sebagainya, yang menyebabkan herotan isyarat. Oleh itu, nilai impedans konduktor pada PCB berkelajuan tinggi harus dikawal dalam julat tertentu, yang dipanggil "kawalan impedans".

Impedans jejak PCB ditentukan oleh induktans induktif dan kapasitif, pekali rintangan dan kekonduksiannya. Faktor-faktor yang mempengaruhi impedans pendawaian PCB terutamanya termasuk lebar dan ketebalan dawai kuprum, pemalar dielektrik dan ketebalan medium, ketebalan pad pateri, laluan dawai pembumian, dan pendawaian di sekitar pendawaian, dan sebagainya. Julat impedans PCB ialah 25 hingga 120 ohm.

Dalam praktiknya, talian penghantaran PCB biasanya terdiri daripada jejak dawai, satu atau lebih lapisan rujukan, dan bahan penebat. Jejak dan lapisan tersebut membentuk impedans kawalan. PCB sering menggunakan struktur berbilang lapisan, dan kawalan impedans juga boleh dibina dalam pelbagai cara. Walau bagaimanapun, tanpa mengira kaedah yang digunakan, nilai impedans akan ditentukan oleh struktur fizikalnya dan sifat elektronik bahan penebat:

Mikrojalur ialah jalur dawai yang merujuk kepada talian penghantaran dengan hanya satu sisi yang mempunyai satah rujukan. Bahagian atas dan sisi terdedah kepada udara (atau disalut) dan terletak pada permukaan pemalar penebat PCB Er, dengan lapisan kuasa atau pembumian sebagai rujukan. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut:

Nota: Dalam pembuatan PCB sebenar, kilang PCB biasanya menyalut lapisan dakwat hijau pada permukaan PCB. Oleh itu, dalam pengiraan impedans sebenar, model yang ditunjukkan dalam rajah berikut biasanya digunakan untuk garisan mikrojalur permukaan.

Jaluran jalur ialah jalur dawai yang diletakkan di antara 2 satah rujukan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut. Pemalar dielektrik dielektrik yang diwakili oleh H1 dan H2 boleh berbeza.

2 kes di atas hanyalah demonstrasi tipikal mikrojalur dan jalur jalur, biasanya digunakan untuk pembelajaran perkakasan pintar IoT terbenam dan sistem lain. Terdapat banyak jenis mikrojalur dan jalur jalur tertentu, seperti mikrojalur bersalut, yang berkaitan dengan struktur susunan khusus PCB.

Persamaan yang digunakan untuk mengira impedans ciri memerlukan pengiraan matematik yang kompleks, biasanya menggunakan kaedah penyelesaian medan, termasuk analisis elemen sempadan. Oleh itu, dengan menggunakan perisian pengiraan impedans khusus SI9000, apa yang perlu kita lakukan hanyalah mengawal parameter impedans ciri:

Pemalar dielektrik Er bagi lapisan penebat, lebar pendawaian W1 dan W2 (trapezoid), ketebalan pendawaian T, dan ketebalan lapisan penebat H.

W – lebar garisan yang direka bentuk

A – kehilangan etsa (lihat jadual di atas)

Sebab bagi lebar yang tidak konsisten antara bahagian atas dan bawah garisan adalah semasa proses pembuatan PCB, kakisan berlaku dari atas ke bawah, mengakibatkan bentuk trapezoid pada garisan yang berkarat.

Terdapat hubungan yang sepadan antara ketebalan garis T dan ketebalan kuprum lapisan ini, seperti berikut:

* Disebabkan oleh pengaruh kecil ketebalan topeng pateri terhadap impedans, ia dianggap sebagai nilai malar 0.5 juta.

Kita boleh mencapai kawalan impedans dengan mengawal parameter ini. Dengan mengambil PCB bawah Anwei sebagai contoh, kami akan menerangkan langkah-langkah kawalan impedans dan penggunaan SI9000:

Lapisan kedua ialah satah tanah, lapisan kelima ialah satah kuasa, dan lapisan yang selebihnya ialah lapisan isyarat.

Penjelasan: Dielektrik antara lapisan perantaraan ialah FR-4, dengan pemalar dielektrik 4.2; Lapisan atas dan bawah ialah lapisan kosong yang bersentuhan langsung dengan udara, dan pemalar dielektrik udara ialah 1.

Pereka PCB boleh menggunakan sepenuhnya struktur hierarki PCB untuk mencapai kawalan impedans. Dengan meletakkan lapisan isyarat yang berbeza pada kedudukan lapisan yang berbeza, kapasitans dan induktans antara lapisan boleh dikawal dengan berkesan. Secara amnya, lapisan dalam menggunakan bahan impedans yang tinggi dan lapisan luar menggunakan bahan impedans yang rendah untuk mengurangkan kesan pantulan dan crosstalk.

Talian penghantaran isyarat pembezaan boleh memberikan keupayaan anti-gangguan yang lebih baik dan risiko crosstalk yang lebih rendah. Talian penghantaran isyarat pembezaan ialah sepasang wayar selari dengan voltan yang bertentangan tetapi saiz yang sama, yang boleh memberikan integriti isyarat dan keupayaan anti-gangguan yang lebih baik. Impedans talian penghantaran isyarat pembezaan biasanya dikawal oleh pemilihan jarak talian, lebar dan satah bumi.

Parameter geometri seperti lebar talian PCB, jarak dan susun atur juga boleh digunakan untuk mengawal impedans. Bagi talian mikrojalur biasa, lebar talian yang lebih tebal dan jarak yang lebih besar boleh mengurangkan impedans. Bagi talian sepaksi, diameter talian dalaman yang lebih kecil dan jejari talian luaran yang lebih besar boleh meningkatkan impedans. Pemilihan geometri pendawaian memerlukan pengoptimuman berdasarkan keperluan impedans tertentu dan frekuensi isyarat.

Pemalar dielektrik bahan PCB juga mempengaruhi impedans. Memilih bahan dengan sifat dielektrik yang stabil adalah sebahagian daripada kawalan impedans. Dalam aplikasi frekuensi tinggi dan berkelajuan tinggi, bahan yang biasa digunakan termasuk FR-4 (papan bertetulang gentian kaca), PTFE (politetrafluoroetilena), dan laminasi RF (frekuensi radio).

Sebelum reka bentuk PCB, penggunaan alat simulasi dan reka bentuk boleh membantu pereka bentuk mengesahkan dan mengoptimumkan impedans dengan cepat dan tepat. Alat ini boleh mensimulasikan tingkah laku litar, kehilangan penghantaran isyarat dan interaksi elektromagnet untuk menentukan parameter reka bentuk PCB yang optimum. Beberapa alat simulasi biasa termasuk CST Studio Suite, HyperLynx dan ADS.

Kawalan impedans PCB memainkan peranan penting dalam litar digital dan analog berkelajuan tinggi. Melalui reka bentuk hierarki yang munasabah, penggunaan talian penghantaran isyarat pembezaan, kawalan geometri pendawaian, pemilihan bahan PCB yang sesuai, dan penggunaan alat simulasi dan reka bentuk, kawalan impedans yang tepat dapat dicapai, sekali gus meningkatkan prestasi litar dan integriti isyarat.