Thiết kế điện tử - Cách ước tính giá trị kháng của kỹ năng dây PCB

Chúng ta thường cần nhanh chóng ước tính sức đề kháng của một dòng hoặc phẳng duy nhất trên bảng mạch in, thay vì thực hiện các tính toán nhàm chán. Mặc dù có bố trí bảng mạch in và tính toán tính toàn vẹn tín hiệu có thể được sử dụng để tính điện trở của đường thoát, có những lúc chúng ta muốn đưa ra ước tính nhanh chóng và thô trong quá trình thiết kế.

Một cách dễ dàng để làm điều này được gọi là "đếm khối". Sử dụng phương pháp này, khả năng kháng của bất kỳ hình học nào có thể được ước tính trong vài giây (khoảng 10%). Một khi phương pháp này được làm chủ, diện tích PCB được ước tính có thể được chia thành các vuông, và kháng của toàn bộ dòng hoặc phẳng có thể được ước tính bằng cách đếm số vuông.

Khái niệm cơ bản

Khái niệm chính của thống kê vuông là một bảng mạch in vuông bất kỳ kích thước nào (độ dày được xác định) sẽ có kháng cự tương tự như một vuông bất kỳ kích thước nào khác. Giá trị kháng của một vuông tích cực chỉ phụ thuộc vào điện trở của vật liệu dẫn điện và độ dày của nó. Khái niệm này có thể được áp dụng cho bất kỳ loại vật liệu dẫn điện nào. Bảng 1 cho thấy một số vật liệu bán dẫn phổ biến và điện trở số lượng lớn của chúng.

Đối với bảng mạch in, vật liệu quan trọng là đồng, là nguyên liệu thô cho hầu hết các bảng mạch (lưu ý: nhôm được sử dụng để kim loại hóa lõi chip của các mạch tích hợp, và các nguyên tắc tương tự áp dụng cho nhôm)

Hãy bắt đầu với hình vuông đồng trong Hình 1. Chiều dài của khối đồng là L, chiều rộng là L ((bởi vì nó là vuông), độ dày là T, và diện tích cắt chéo của khu vực lá đồng mà dòng chảy dòng chảy là A. Kháng kháng của khối đồng có thể đơn giản được thể hiện như R = Î ̧L / A, nơi Ï ̧ là điện trở của đồng (đây là một thuộc tính vốn có của vật liệu, 0,67 Î ̧ / in. Ở 25 độ C).

Nhưng lưu ý rằng phần A là sản phẩm của chiều dài L và độ dày t (A = Lt). L trong mệnh số bị hủy bỏ với L trong chữ số, chỉ để lại R = Ï / t. Do đó, kháng của khối đồng độc lập với kích thước của khối, nó chỉ phụ thuộc vào kháng và độ dày của vật liệu. Nếu chúng ta biết sức kháng của các vuông đồng của bất kỳ kích thước nào và có thể chia toàn bộ đường được ước tính thành các vuông, số lượng các vuông có thể được thêm để có được tổng sức kháng của đường.

thực hiện

Để thực hiện kỹ thuật này, tất cả những gì chúng ta cần là một bảng cho thấy một hàm của giá trị kháng của một vuông trên dòng PCB và độ dày của lá đồng. Độ dày của lá đồng thường được chỉ định bởi trọng lượng của lá đồng. Ví dụ: 1oz. Đồng có nghĩa là 1oz. Mỗi chân vuông.

Bảng 2 cho thấy trọng lượng của bốn lá đồng được sử dụng phổ biến và điện trở của chúng ở 25 độ C và 100 độ C. Lưu ý rằng giá trị kháng đồng tăng với nhiệt độ tăng do hệ số nhiệt độ tích cực của vật liệu. Ví dụ, bây giờ chúng ta biết rằng một tấm đồng vuông 0,5 oz có sức đề kháng khoảng 1 MEgohm, một giá trị độc lập với kích thước vuông. Nếu chúng ta có thể phá vỡ dây PCB chúng ta cần đo thành các vuông ảo, và sau đó thêm các vuông này với nhau, chúng ta có thể có được kháng của dây.

Hãy lấy một ví dụ đơn giản. Hình 2 cho thấy một dây đồng hình chữ nhật nặng khoảng 0,5 oz. Ở 25 ° C, với chiều rộng dây 1 inch và chiều dài 12 inch. Chúng ta có thể chia dòng thành một loạt các vuông, với mỗi bên vuông dài 1 inch. Vậy thì có 12 cái beeper. Theo bảng 2, kháng của mỗi 0.5oz. Trọng lượng đồng foil vuông là 1m Ï, bây giờ có 12 vuông, vì vậy tổng kháng của dây là 12m Ï.

Còn quay lại thì sao?

Đây là một ví dụ rất đơn giản để hiểu, nhưng hãy nhìn vào một cái gì đó phức tạp hơn một chút.

Đầu tiên, hãy nhớ rằng trong ví dụ trước, chúng ta giả định rằng dòng chảy theo một đường thẳng dọc theo một bên của vuông, từ đầu này sang đầu kia (xem Hình 3A). Tuy nhiên, nếu dòng điện phải quay góc phải (góc phải vuông trong Hình 3B), tình hình hơi khác nhau.

Trong ví dụ trước, chúng tôi giả định rằng dòng chảy theo một đường thẳng dọc theo một bên của vuông, từ đầu này sang đầu kia (xem Hình 3A). Nếu dòng điện có một góc phải (góc phải vuông trong Hình 3B), chúng ta sẽ thấy rằng con đường hiện tại ngắn hơn ở phần dưới bên trái của vuông so với phần trên bên phải. Khi dòng điện chảy qua một góc, mật độ dòng điện là cao, có nghĩa là kháng của một vuông góc chỉ có thể được tính bằng 0,56 vuông.

Bây giờ chúng ta thấy rằng con đường hiện tại ngắn hơn ở phần dưới bên trái của vuông so với phần trên bên phải. Kết quả là, cu

rrent sẽ đông đúc vào khu vực bên trái dưới nơi kháng cự thấp. Vì vậy mật độ hiện tại trong khu vực này sẽ cao hơn mật độ hiện tại ở phía trên bên phải. Khoảng cách giữa các mũi tên cho thấy sự khác biệt về mật độ hiện tại. Kết quả là, kháng cự của một vuông góc bằng 0,56 vuông (Hình 4).

Ngoài ra, chúng ta có thể thực hiện một số sửa đổi cho các đầu nối được hàn vào bảng mạch in. Ở đây, chúng ta giả định rằng kháng kết nối là không đáng kể so với kháng lá đồng.

Chúng ta có thể thấy rằng nếu đầu nối chiếm một phần lớn của diện tích lá đồng được đánh giá, sức đề kháng của khu vực đó nên được giảm tương ứng. Hình 5 cho thấy cấu trúc kết nối ba đầu cuối và tính toán vuông tương đương của nó (tham khảo 1). Khu vực bóng tối chỉ ra các chân kết nối trong khu vực lá đồng.

Một ví dụ phức tạp hơn

Ở đây, chúng ta sử dụng một ví dụ phức tạp hơn để minh họa cách sử dụng kỹ thuật này. Hình 6A là một hình dạng phức tạp hơn và cần một số công việc để tính toán sức đề kháng của nó. Trong ví dụ này, chúng ta giả sử rằng lá đồng nặng 1oz ở 25 độ C, và dòng chảy dọc theo toàn bộ chiều dài của đường, từ điểm A đến điểm B. Các kết nối được đặt trên cả đầu cuối A và B. Sử dụng cùng một kỹ thuật như ở trên, chúng ta có thể phân hủy một hình dạng phức tạp thành một loạt các vuông, như hiển thị trong Hình 6b. Các vuông có thể có bất kỳ kích thước thích hợp, và bạn có thể điền vào toàn bộ khu vực quan tâm với các vuông có kích thước khác nhau. Miễn là chúng ta có một hình vuông, và chúng ta biết trọng lượng của dây đồng, chúng ta biết sức kháng.

Chúng ta có sáu hình vuông hoàn hảo, hai hình vuông với kết nối, và ba hình vuông góc. Kể từ kháng cự của 1oz. Giấy đồng là 0,5 m / vuông, và dòng chảy tuyến tính qua sáu vuông, tổng kháng của các vuông này là: 6 x 0,5 m = 3 m.

Sau đó, chúng ta thêm hai vuông với các đầu nối, mỗi được tính toán ở 0,14 vuông (Hình 5C). Do đó, hai đầu nối được tính là 0,28 vuông (2 * 0,14). Đối với 1oz. Giấy đồng, điều này thêm 0,14m Ï của kháng (0,28 * 0,5m Ï = 0,14m Ï). cộng với ba góc vuông. Tính toán bằng mỗi 0,56 vuông, tổng số là 3 * 0,56 * 0,5m Ï = 0,84m Ï. Do đó, tổng kháng từ A đến B là 3,98m Ï (3m Ï +0,14m Ï +0,84m Ï).

Một số bạn bè sẽ nói: làm thế nào có thể dây PCB hình dạng quá kỳ lạ? Tuy nhiên, đó là tín hiệu cung cấp điện thường cần tính toán điện trở dây, và tín hiệu cung cấp điện đôi khi được thực hiện bằng cách che đậy đồng, hình thành một số hình dạng bất thường.

Tóm lại như sau:

. Sáu vuông đầy đủ của 1 = 6 vuông tương đương; Hai khối kết nối 0,14 = 0,28 khối tương đương; Ba góc vuông của 0,56 = 1,68 vuông tương đương

Tổng số vuông tương đương = 7,96 vuông tương đương

Kháng kháng (A đến B) = 7,96 kháng vuông, vì mỗi vuông là 0,5m Ï, vì vậy tổng kháng = 3,98m Ï kỹ thuật này có thể dễ dàng áp dụng cho hình học phức tạp. Một khi bạn biết kháng của một dây cụ thể, nó là dễ dàng để tính toán các điều khác, chẳng hạn như giảm điện áp hoặc tiêu thụ điện.

Làm thế nào để tính toán lỗ?

Các bảng mạch in thường được xếp chồng nhau trong các lớp khác nhau thay vì các lớp đơn. Lỗ thông qua được sử dụng để kết nối dây giữa các lớp khác nhau. Kháng kháng của mỗi lỗ là hạn chế. Do đó, kháng của mỗi lỗ phải được tính đến khi tính toán tổng kháng của cáp. Nói chung, khi hai dây (hoặc phẳng) được kết nối qua một lỗ, nó tạo thành một yếu tố kháng hàng loạt. Nhiều lỗ thâm song song thường được sử dụng để giảm kháng hiệu quả. Kháng kháng lỗ thông qua được tính dựa trên hình học lỗ thông qua đơn giản hóa được hiển thị trong Hình 7. Dòng điện (như được chỉ ra bởi mũi tên) dọc theo chiều dài của lỗ (L) đi qua khu vực cắt chéo A (A). Độ dày (t) phụ thuộc vào độ dày của lớp đồng mạ điện trên tường bên trong của lỗ.

Bằng một số biến đổi đại số đơn giản, kháng qua lỗ có thể được thể hiện như R = Ï ̧L/[Ï ̧ (dt-T2)], nơi Ï ̧ là kháng của mạ đồng (2.36Î ̧ / in. ở 25 độ C). Lưu ý rằng điện trở của mạ đồng cao hơn nhiều so với đồng tinh khiết. Chúng tôi giả định rằng độ dày t của lớp phủ trong lỗ nói chung là 1mil, độc lập với trọng lượng của lá đồng trên bảng mạch. Đối với một tấm 10 lớp với độ dày 3,5mil và trọng lượng đồng 2Oz. L là khoảng 63mil.

Dựa trên các giả định trên, kích thước lỗ và điện trở phổ biến được đưa ra trong Bảng 3. Chúng ta có thể điều chỉnh các giá trị này cho độ dày tấm cụ thể của chúng ta. Ngoài ra còn có nhiều chương trình tính toán thông qua lỗ dễ sử dụng có sẵn trực tuyến.

Đây là một cách đơn giản để ước tính điện trở DC của một dây chuyền PCB hoặc phẳng. Hình học phức tạp có thể được phân hủy thành nhiều vuông đồng có kích thước khác nhau để xấp xỉ toàn bộ diện tích lá đồng. Một khi trọng lượng của lá đồng được xác định, sức đề kháng của bất kỳ kích thước vuông nào là một số lượng được biết đến. Bằng cách này, quá trình ước tính được đơn giản hóa thành một số vuông đồng đơn giản.