PCB 走線寬度在 PCB 設(shè)計(jì)中的重要性

在您的下一個(gè) PCB 設(shè)計(jì)過程中，有幾個(gè)因素會(huì)影響走線寬度、長(zhǎng)度和樣式。PCB原型. 本文將深入探討需要特定走線布局特性的各種應(yīng)用，以及如何或何時(shí)將它們納入您的 PCB 設(shè)計(jì)。

讓我們從基礎(chǔ)開始。究竟什么是走線寬度，為什么指定特定的走線寬度如此重要？PCB 走線的目的是將任何類型的電信號(hào)（無論是模擬、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，或者是用于探測(cè)的空焊盤或測(cè)試點(diǎn)。走線寬度通常以密耳或千英寸為單位。普通信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)走線寬度（無特殊要求）可能在 7-12 mil 范圍內(nèi)，長(zhǎng)達(dá)幾英寸，但在定義走線的寬度和長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮許多因素。

應(yīng)用程序通常會(huì)決定 PCB 設(shè)計(jì)中的走線寬度和類型，并且在某個(gè)點(diǎn)上，通常會(huì)在PCB制造成本、電路板密度/尺寸和性能。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，則走線寬度和類型可能比優(yōu)化裸 PCB 的制造成本或整個(gè)電路板尺寸更重要。

作為一般規(guī)則，以下與跟蹤相關(guān)的規(guī)范開始推高裸 PCB 制造成本。

由于更嚴(yán)格，成本變得相當(dāng)高印刷電路板公差以及制造和生產(chǎn)所需的高端設(shè)備檢查或測(cè)試 PCB：

• 走線寬度小于 5 mils (0.005”)

• 走線間距小于 5 密耳

• 通過直徑小于 8 密耳的孔

• 走線厚度比 1 盎司（相當(dāng)于 1.4 密耳）更薄或更厚

• 差分對(duì)和受控長(zhǎng)度或走線阻抗

包含 PCB 封裝（例如極細(xì)間距 BGA 或高信號(hào)數(shù)并行總線）的高密度設(shè)計(jì)可能需要細(xì)至 2.5 密耳的走線寬度和特殊類型的通孔，例如直徑為 6 密耳或更小的激光鉆孔微通孔。相比之下，一些高功率設(shè)計(jì)可能需要非常大的走線或平面，占用整個(gè)層，并且比標(biāo)準(zhǔn)的盎司更厚。空間受限的應(yīng)用可能需要包含多層的非常薄的電路板和半盎司（0.7 密耳厚）的有限覆銅厚度。

在其他一些情況下，從一個(gè)外圍設(shè)備到另一個(gè)外圍設(shè)備的高速通信設(shè)計(jì)可能需要具有受控阻抗和特定寬度和間距的走線，以最大限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)度以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)之間的距離以防止電弧放電。無論是什么特性或特性，軌跡定義都很重要，所以讓我們探索各種應(yīng)用。

PCB 包含多種走線寬度是很常見的，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于信號(hào)的需要（如圖 1 所示）。所示的較細(xì)跡線用于通用 TTL（晶體管-晶體管邏輯）電平信號(hào)，對(duì)大電流或噪聲保護(hù)沒有特殊要求。

這些將是電路板上最常見的走線類型。

圖 1. 包含不同走線寬度和類型的 4 層板示例

較粗的走線已針對(duì)載流能力進(jìn)行了優(yōu)化，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、電機(jī)和向較低級(jí)別組件的一般功率傳輸。甚至圖中左上角還顯示了一個(gè)差分信號(hào)（USB 高速），其特定間距和寬度定義為滿足 90 歐姆阻抗要求。圖 2 顯示了一個(gè)稍微密集的 6 層板和一個(gè) BGA（球柵陣列）組件，需要更細(xì)的走線。

包含 256 引腳 BGA 組件且走線寬度為 5 密耳的 6 層板示例

讓我們來看看為將電流從一個(gè)電源組件傳輸?shù)酵鈬O(shè)備的電源信號(hào)計(jì)算特定走線寬度的過程。在本例中，我們將計(jì)算用于直流電機(jī)的電源路徑的最小走線寬度。電源路徑從保險(xiǎn)絲開始，穿過 H 橋（用于管理直流電機(jī)繞組上的電力傳輸?shù)慕M件），并在電機(jī)連接器處結(jié)束。直流電機(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)越窄，增加的電阻就越大。如果沒有正確定義走線，高電流可能會(huì)損壞走線和/或給電機(jī)帶來顯著的電壓降（導(dǎo)致速度變慢）。圖 3 中所示的 NetC21_2 長(zhǎng)約 0.8 英寸，最大需要承載 2 安培。如果我們假設(shè)一些一般情況，例如正常操作期間 1 盎司的銅澆注和環(huán)境室溫，我們就需要計(jì)算最小走線寬度和該寬度下的預(yù)期電壓降。

直流電機(jī)電源路徑的優(yōu)化走線寬度示例

以下是用于跟蹤面積的公式：

面積[mils2] = ( Current[Amps] / (k*( Temp_Rise[°C] )^b) )^(1/c)其中對(duì)于外部（或頂部/底部）層遵循 IPC 指南，k = 0.048， b = 0.44，c = 0.725。請(qǐng)注意，我們真正需要在此處插入的唯一變量是 current。

在下面的等式中使用這個(gè)區(qū)域?qū)槲覀兲峁┍匾膶挾?，它告訴我們我們的走線需要多寬才能承載電流而不會(huì)出現(xiàn)任何潛在問題：

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

通過在上面的計(jì)算中插入 2 安培，我們得到大約 30 密耳的最小值。

但這并沒有告訴我們電壓降是多少。這有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)樗枰?jì)算走線的電阻，可以根據(jù)圖 4 中所示的等式進(jìn)行計(jì)算。

圖 4. PCB 走線電阻公式

在這個(gè)公式中，ρ = 銅的電阻率，α = 銅的溫度系數(shù)，T = 走線厚度，W = 走線寬度，L = 走線長(zhǎng)度，t = 溫度。如果將所有相關(guān)值插入 0.8 英寸長(zhǎng)、30 密耳寬的走線，我們發(fā)現(xiàn)走線電阻將在 0.03 左右？并將電壓下降約 26mV，這對(duì)于應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。了解是什么影響這些值會(huì)很有幫助。

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)諧長(zhǎng)度以最大限度地減少串?dāng)_、耦合和反射。這方面的一些常見應(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 需要 480Mbit/s（USB 高速等級(jí)）或更高速度的差分對(duì)路由。部分原因是高速 USB 通常在低得多的電壓和差分下運(yùn)行，從而使整體信號(hào)電平更接近本底噪聲。

有布線高速 USB 線時(shí)要考慮的三個(gè)重要事項(xiàng)：走線寬度、走線間距和走線長(zhǎng)度.

所有這些都很重要，但三者中最關(guān)鍵的是確保兩條走線的長(zhǎng)度盡可能匹配。作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，如果走線彼此之間的長(zhǎng)度相差超過 50 密耳（對(duì)于高速 USB），則會(huì)顯著增加反射風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致通信不良。90 歐姆匹配阻抗是差分對(duì)布線的常見規(guī)范，為此，應(yīng)優(yōu)化走線的寬度和間距。

圖 5 顯示了為高速 USB 接口布線的差分對(duì)示例，其中包含 15 mil 間距的 12 mil 寬走線。

圖 5. USB2.0 高速的差分路由

包含并行接口的基于存儲(chǔ)器的組件的接口，例如 DDR3-SDRAM，在走線長(zhǎng)度方面將受到更嚴(yán)格的限制。最高檔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)諧走線的 DDR3 布局示例。

圖 6. 長(zhǎng)度調(diào)整的 DDR3 內(nèi)存走線示例

一些帶有噪聲敏感元件的應(yīng)用，例如無線芯片或天線，可能需要一些額外的保護(hù)。設(shè)計(jì)帶有嵌入式接地過孔的走線和平面可以極大地幫助最大限度地減少附近走線或平面拾取的耦合以及潛入電路板邊緣的板外信號(hào)。

圖 7 顯示了一個(gè)示例藍(lán)牙模塊將其天線（通過絲印“ANT”標(biāo)記）放置在電路板邊緣附近，位于包含連接到接地平面的嵌入式通孔的粗走線外側(cè)。這有助于將天線與其他板載電路和平面隔離。

圖 7. 帶有接地過孔嵌入式走線的藍(lán)牙模塊有助于抑制噪聲

這種接地過孔嵌入跡線（或本例中的多邊形平面）的另一種方法可用于保護(hù)電路板電路免受外部、板外無線信號(hào)的影響。圖 8 顯示了一個(gè)噪聲敏感 PCB，沿著電路板的周邊有一個(gè)接地過孔嵌入平面。

圖 8. 帶有過孔的接地平面襯在敏感的 PCB 上以防止板外干擾

許多因素會(huì)影響 PCB 世界中的走線特性，因此在布線下一個(gè) PCB 時(shí)一定要遵循最佳實(shí)踐，您會(huì)發(fā)現(xiàn) PCB 制造成本、電路密度和整體性能之間的平衡。