PCB 走線(xiàn)寬度在 PCB 設計中的重要性

在您的下一個(gè) PCB 設計過(guò)程中，有幾個(gè)因素會(huì )影響走線(xiàn)寬度、長(cháng)度和樣式。PCB原型. 本文將深入探討需要特定走線(xiàn)布局特性的各種應用，以及如何或何時(shí)將它們納入您的 PCB 設計。

讓我們從基礎開(kāi)始。究竟什么是走線(xiàn)寬度，為什么指定特定的走線(xiàn)寬度如此重要？PCB 走線(xiàn)的目的是將任何類(lèi)型的電信號（無(wú)論是模擬、數字還是電源）從一個(gè)結點(diǎn)連接到另一個(gè)結點(diǎn)。

結點(diǎn)可以是組件的引腳、較大跡線(xiàn)或平面的分支，或者是用于探測的空焊盤(pán)或測試點(diǎn)。走線(xiàn)寬度通常以密耳或千英寸為單位。普通信號的標準走線(xiàn)寬度（無(wú)特殊要求）可能在 7-12 mil 范圍內，長(cháng)達幾英寸，但在定義走線(xiàn)的寬度和長(cháng)度時(shí)，應考慮許多因素。

應用程序通常會(huì )決定 PCB 設計中的走線(xiàn)寬度和類(lèi)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計要求，例如速度優(yōu)化、噪聲或耦合抑制或高電流/電壓，則走線(xiàn)寬度和類(lèi)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。

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

由于更嚴格，成本變得相當高印刷電路板公差以及制造和生產(chǎn)所需的高端設備檢查或測試 PCB：

• 走線(xiàn)寬度小于 5 mils (0.005”)

• 走線(xiàn)間距小于 5 密耳

• 通過(guò)直徑小于 8 密耳的孔

• 走線(xiàn)厚度比 1 盎司（相當于 1.4 密耳）更薄或更厚

• 差分對和受控長(cháng)度或走線(xiàn)阻抗

包含 PCB 封裝（例如極細間距 BGA 或高信號數并行總線(xiàn)）的高密度設計可能需要細至 2.5 密耳的走線(xiàn)寬度和特殊類(lèi)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，一些高功率設計可能需要非常大的走線(xiàn)或平面，占用整個(gè)層，并且比標準的盎司更厚?？臻g受限的應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)外圍設備到另一個(gè)外圍設備的高速通信設計可能需要具有受控阻抗和特定寬度和間距的走線(xiàn)，以最大限度地減少反射和電感耦合?；蛘咴O計可能需要一定的長(cháng)度以匹配總線(xiàn)中的其他相關(guān)信號。高壓應用需要某些安全功能，例如最小化兩個(gè)暴露的差分信號之間的距離以防止電弧放電。無(wú)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用。

PCB 包含多種走線(xiàn)寬度是很常見(jiàn)的，因為它們取決于信號的需要（如圖 1 所示）。所示的較細跡線(xiàn)用于通用 TTL（晶體管-晶體管邏輯）電平信號，對大電流或噪聲保護沒(méi)有特殊要求。

這些將是電路板上最常見(jiàn)的走線(xiàn)類(lèi)型。

圖 1. 包含不同走線(xiàn)寬度和類(lèi)型的 4 層板示例

較粗的走線(xiàn)已針對載流能力進(jìn)行了優(yōu)化，用于需要更高功率的外圍設備或與電源相關(guān)的功能，例如風(fēng)扇、電機和向較低級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（USB 高速），其特定間距和寬度定義為滿(mǎn)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，需要更細的走線(xiàn)。

包含 256 引腳 BGA 組件且走線(xiàn)寬度為 5 密耳的 6 層板示例

讓我們來(lái)看看為將電流從一個(gè)電源組件傳輸到外圍設備的電源信號計算特定走線(xiàn)寬度的過(guò)程。在本例中，我們將計算用于直流電機的電源路徑的最小走線(xiàn)寬度。電源路徑從保險絲開(kāi)始，穿過(guò) H 橋（用于管理直流電機繞組上的電力傳輸的組件），并在電機連接器處結束。直流電機所需的平均連續最大電流約為 2 安培。

現在，PCB 走線(xiàn)充當電阻器，走線(xiàn)越長(cháng)越窄，增加的電阻就越大。如果沒(méi)有正確定義走線(xiàn)，高電流可能會(huì )損壞走線(xiàn)和/或給電機帶來(lái)顯著(zhù)的電壓降（導致速度變慢）。圖 3 中所示的 NetC21_2 長(cháng)約 0.8 英寸，最大需要承載 2 安培。如果我們假設一些一般情況，例如正常操作期間 1 盎司的銅澆注和環(huán)境室溫，我們就需要計算最小走線(xiàn)寬度和該寬度下的預期電壓降。

直流電機電源路徑的優(yōu)化走線(xiàn)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)其中對于外部（或頂部/底部）層遵循 IPC 指南，k = 0.048， b = 0.44，c = 0.725。請注意，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)區域將為我們提供必要的寬度，它告訴我們我們的走線(xiàn)需要多寬才能承載電流而不會(huì )出現任何潛在問(wèn)題：

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

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

但這并沒(méi)有告訴我們電壓降是多少。這有點(diǎn)復雜，因為它需要計算走線(xiàn)的電阻，可以根據圖 4 中所示的等式進(jìn)行計算。

圖 4. PCB 走線(xiàn)電阻公式

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

對于具有高速通信的數字設計，可能需要特定的間距和調諧長(cháng)度以最大限度地減少串擾、耦合和反射。這方面的一些常見(jiàn)應用是基于 USB 的串行差分信號和基于 RAM 的并行差分信號。通常，USB 2.0 需要 480Mbit/s（USB 高速等級）或更高速度的差分對路由。部分原因是高速 USB 通常在低得多的電壓和差分下運行，從而使整體信號電平更接近本底噪聲。

有布線(xiàn)高速 USB 線(xiàn)時(shí)要考慮的三個(gè)重要事項：走線(xiàn)寬度、走線(xiàn)間距和走線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)的長(cháng)度盡可能匹配。作為一般經(jīng)驗法則，如果走線(xiàn)彼此之間的長(cháng)度相差超過(guò) 50 密耳（對于高速 USB），則會(huì )顯著(zhù)增加反射風(fēng)險，從而導致通信不良。90 歐姆匹配阻抗是差分對布線(xiàn)的常見(jiàn)規范，為此，應優(yōu)化走線(xiàn)的寬度和間距。

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

圖 5. USB2.0 高速的差分路由

包含并行接口的基于存儲器的組件的接口，例如 DDR3-SDRAM，在走線(xiàn)長(cháng)度方面將受到更嚴格的限制。最高檔PCB設計軟件將具有長(cháng)度調整功能，可優(yōu)化走線(xiàn)長(cháng)度以匹配并行總線(xiàn)中的所有相關(guān)信號。圖 6 顯示了具有長(cháng)度調諧走線(xiàn)的 DDR3 布局示例。

圖 6. 長(cháng)度調整的 DDR3 內存走線(xiàn)示例

一些帶有噪聲敏感元件的應用，例如無(wú)線(xiàn)芯片或天線(xiàn)，可能需要一些額外的保護。設計帶有嵌入式接地過(guò)孔的走線(xiàn)和平面可以極大地幫助最大限度地減少附近走線(xiàn)或平面拾取的耦合以及潛入電路板邊緣的板外信號。

圖 7 顯示了一個(gè)示例藍牙模塊將其天線(xiàn)（通過(guò)絲印“ANT”標記）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(xiàn)外側。這有助于將天線(xiàn)與其他板載電路和平面隔離。

圖 7. 帶有接地過(guò)孔嵌入式走線(xiàn)的藍牙模塊有助于抑制噪聲

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

圖 8. 帶有過(guò)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(xiàn)特性，因此在布線(xiàn)下一個(gè) PCB 時(shí)一定要遵循最佳實(shí)踐，您會(huì )發(fā)現 PCB 制造成本、電路密度和整體性能之間的平衡。