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Jede Leiterplatte, die Sie konstruieren, hat eine Reihe von Problemen, und einige der lästigsten sind unsichtbar. Eines der wichtigsten ist die Kapazität. Die Leiterbahnen, Pads und Flächen Ihrer Leiterplatte können ähnlich wie winzige Kondensatoren funktionieren. Sie möchten diese unbeabsichtigte Kapazität nicht in Ihr Design einbeziehen. Der Betrieb der Leiterplatte ist der Grund für ihre Existenz. Dieser Effekt, der als parasitäre Kapazität bezeichnet wird, ist für Ingenieure nur schwer in den Griff zu bekommen. Beim Design Ihrer Leiterplatte ist es wichtig zu wissen, wie Sie parasitäre Kapazitäten minimieren können.
Diese zusätzliche Kapazität kann große Probleme verursachen. Sie kann dazu führen, dass die Signale, die durch Ihre Leiterbahnen laufen, langsamer werden. Sie kann die Form eines Signals verändern, was zu Problemen bei der Datenübertragung führen kann. Und es kann dazu führen, dass ein Signal auf einer Leiterbahn in eine benachbarte Leiterbahn übergeht, was zu Rauschen und Interferenzen führt. Dieses Übersprechen wird als Crosstalk bezeichnet. Diese Probleme machen es sehr schwer, die Kapazität in Hochgeschwindigkeits-PCB-Design. Diese kleinen kapazitiven Effekte spielen eine umso größere Rolle, je schneller Ihre Signale werden.
Ein nützliches Handbuch zur Senkung der PCB-Leitungskapazitäten
Was ist die PCB-Leitungskapazität?
Wir müssen ein grundlegendes Verständnis der Kapazität haben, bevor wir sie reduzieren können. Ein Kondensator besteht im Grunde nur aus zwei elektrischen Leitern, die durch eine isolierende Substanz voneinander getrennt sind. Ein Dielektrikum ist der Begriff für die isolierende Substanz.
Genau diese Konfiguration findet sich überall auf einer Leiterplatte. Ein Leiter ist eine Leiterbahn aus Kupfer. Ein anderer Leiter ist eine nahe gelegene Massefläche. Der Isolator zwischen ihnen ist die Glasfaserplatte. Die Leiterbahn und die Grundplatte bilden also einen winzigen Kondensator. In ähnlicher Weise sind zwei Leiterbahnen aus Kupfer, die nebeneinander liegen. Der Isolator zwischen ihnen besteht aus dem Leiterplattenmaterial und Luft. Auch diese beiden Leiterbahnen bilden also einen Kondensator.
Dies ist der Ursprung des Begriffs parasitäre Kapazität (PCB). Er ist ein Parasit, denn er ernährt sich von Ihrem Design und bietet Ihnen nichts von Wert. Ob Sie es wollen oder nicht, er ist immer präsent. Er kann nicht vollständig ausgerottet werden. Es gibt jedoch Dinge, die Sie tun können, um ihn deutlich zu reduzieren.
Wir können die grundlegende Formel für die PCB-Leiterbahnkapazität untersuchen, um zu erfahren, wie man sie senken kann. So sieht die Formel aus: C = (ε × A) / d. Zerlegen wir dies in seine grundlegendsten Bestandteile in Bezug auf eine Leiterplatte.
C = (ε × A) / d
"C" steht für Kapazität. Wir möchten diesen Wert reduzieren.
Die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials ist 'ε' (Epsilon). Jedes Material hat einen einzigartigen Wert. Bestimmte Materialien haben eine niedrigere Konstante und sind bessere Isolatoren. Eine geringere Kapazität korreliert mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante.
Der Bereich, in dem sich die beiden Leiterbahnen überschneiden, wird mit "A" bezeichnet. Zwei lange, breite Leiterbahnen haben eine große Überlappungsfläche, wenn sie sehr nahe beieinander liegen. Die Kapazität nimmt mit der Fläche zu.
Der Abstand zwischen den beiden Leitern wird mit 'd' bezeichnet. Er gibt an, wie dick der Isolator zwischen ihnen ist. Die Kapazität nimmt mit zunehmendem Abstand ab.
Die gesamte Strategie zur Kapazitätsreduzierung wird durch diese unkomplizierte Formel bereitgestellt. Es gibt drei Möglichkeiten, wie wir 'C' reduzieren können. Es kann ein Material mit einem niedrigeren 'ε' verwendet werden. Wir können die Größe des überlappenden Bereichs 'A' verringern. Alternativ können wir den Abstand 'd' vergrößern. Eines dieser drei Ziele ist das Ziel jeder praktikablen Methode zur Verringerung der Leitungskapazität. Eine ausgefeiltere Version dieser Formel wird von der Leiterplattenkapazität-Rechner die Sie in vielen PCB-Design-Tools finden, um die Kapazität in Ihrem Layout zu schätzen.
Die entscheidenden Design-Entscheidungen zur Regulierung der Kapazität
Den größten Einfluss auf die parasitäre Kapazität haben die Entscheidungen, die Sie in der Phase des Leiterplattenlayouts treffen. Die Geometrie und die Materialien der Leiterplatte liegen direkt unter Ihrer Kontrolle. Der erste Schritt zu einem besseren Design besteht darin, zu verstehen, wie sich diese Entscheidungen auf die Kapazität auswirken.
Das dielektrische Material Ihrer Leiterplatte ist die erste Überlegung. FR-4 ist das am häufigsten verwendete Material für Leiterplatten. Die meisten Produkte verwenden es, weil es erschwinglich und verlässlich ist. Allerdings ist die Dielektrizitätskonstante von FR-4 vergleichsweise hoch. Die Kapazität wird direkt und erheblich von der Dielektrizitätskonstante der Leiterplatte beeinflusst. Ein Wechsel des Leiterplattenmaterials ist eine der besten Optionen, wenn Ihr Design sehr empfindlich auf die Kapazität reagiert. Die Dielektrizitätskonstante von Hochleistungsmaterialien, wie z.B. Teflon oder Rogers, ist deutlich niedriger.
Ohne weitere Änderungen an Ihrem Layout können Sie Ihre parasitäre Kapazität drastisch senken, indem Sie von FR-4 auf eines dieser Materialien umsteigen. Aufgrund der hohen Kosten wird diese Option in der Regel nur bei Hochfrequenzanwendungen eingesetzt, bei denen die Kosten weniger wichtig sind als die Leistung.
Die Dicke des dielektrischen Materials ist ein sekundärer Faktor.
Die Dicke Ihres dielektrischen Materials ist die zweite Überlegung. Dies hat mit dem "d" in unserer Formel zu tun, das für den Abstand steht. Wenn wir über die Kapazität einer Leiterbahn sprechen, beziehen wir uns häufig auf die Kapazität gegenüber einer darunter liegenden Bezugsebene, z.B. einer Massefläche.
Die Dicke des Prepregs oder Kernmaterials in Ihrem PCB-Stapel ist der Abstand zwischen dieser Grundplatte und der Signalleitung. Der Abstand 'd' wird größer, wenn ein dickeres Material verwendet wird. Eine geringere Kapazität wird durch ein größeres 'd' angezeigt. Die Dicke dieser Isolierschichten kann beim Entwurf des Lagenaufbaus Ihrer Leiterplatte gewählt werden. Eine einfache Methode zur Verringerung der Kapazität bei Hochgeschwindigkeitssignalen besteht darin, eine dickere dielektrische Schicht zwischen der Signalschicht und ihrer Bezugsebene zu wählen.
Das dritte Element ist die Geometrie der Kupferspur.
Der dritte und am häufigsten angepasste Aspekt des Designs ist die Geometrie der Leiterbahnen. Dicke, Breite und Abstände beeinflussen die Leistung. Viele Designer verstehen nicht, wie die Kapazität mit der Leiterbahnbreite zusammenhängt. Breitere Leiterbahnen vergrößern die Oberfläche, was die Fläche "A" in der Gleichung vergrößert und die Kapazität zur Massefläche erhöht. Wenn Sie die Kapazität zwischen der Leiterbahn und der Grundplatte verringern möchten, verwenden Sie eine schmalere Leiterbahn. Aber schmalere Leiterbahnen erhöhen den Widerstand und begrenzen die Leistungsübertragung. Sie müssen diese Kompromisse beim Design sorgfältig abwägen.
Um das Übersprechen zu minimieren, vergrößern PCB-Designer einfach den Abstand zwischen den Leiterbahnen. Nach der "3W-Regel" sollten zwei Leiterbahnen mindestens dreimal so breit wie eine Leiterbahn sein. Das wichtigste geometrische Element, das die Designer kontrollieren können, ist der Abstand. Er zeigt das "d", das zwei nahe beieinander liegende Leiterbahnen auf derselben Schicht trennt. Die Kapazität zwischen zwei Leiterbahnen nimmt mit deren Nähe zu.
Für extrem empfindliche oder schnelle Signale benötigen Sie möglicherweise noch mehr Platz. Die einfachste und effizienteste Methode, die Kapazität von Leiterbahn zu Leiterbahn zu verringern, besteht häufig darin, den Abstand zwischen den Leiterbahnen zu vergrößern.
Nützliche Layout-Methoden für das Design niedriger Kapazitäten
Theoretisches Wissen ist nützlich, aber Sie brauchen auch nützliche Layout-Softwaretechniken. Diese Layouttechniken gehören zu den besten, um unerwünschte Kapazitäten zu verringern.
Die erste Taktik besteht darin, die Länge Ihrer Leiterbahnen zu minimieren. Da eine kürzere Leiterbahn weniger Masse abdeckt, verringert sich die Kapazität zu benachbarten Strukturen und die Fläche "A" in der Formel wird kleiner. Kurze Leiterbahnen sind garantiert, wenn die Komponenten richtig positioniert sind. Platzieren Sie ähnliche Teile nebeneinander. Platzieren Sie eine Mikroprozessor und seinen Speicher nebeneinander, so dass die Verbindungsspuren so kurz wie möglich sind. Lange, gewundene Leiterbahnen erhöhen die Möglichkeit von parasitären Kapazitäten und gefährden die Signalintegrität.
Die zweite Strategie besteht darin, die Zeit zu reduzieren, in der Ihre Leiterbahnen parallel zueinander verlaufen. Der Effekt eines langen Kondensators entsteht, wenn zwei Leiterbahnen über eine lange Strecke zusammen verlaufen. Je länger sie zusammen verlaufen, desto größer ist die Kapazität zwischen ihnen. Dies ist eine der Hauptursachen für Übersprechen. Der beste Weg, dies zu vermeiden, ist, parallele Leitungen so kurz wie möglich zu halten. Ein Datenbus und ein Adressbus sind zwei Beispiele für Signale, die so verlegt werden sollten, dass sie keine langen Strecken parallel zurücklegen. Wenn Sie sie auf der gleichen Ebene verlegen müssen, sollten Sie so viel Platz wie möglich zwischen ihnen lassen.
Designer können die Kapazität effektiv kontrollieren, indem sie benachbarte Signale auf getrennten Ebenen routen. Sie konstruieren Hochgeschwindigkeitsschaltungen häufig mit orthogonalem Routing. Bei dieser Methode verläuft jede Leiterbahn auf der ersten Ebene horizontal, während jede Leiterbahn auf der nachfolgenden Signalebene vertikal verläuft. Nur im rechten Winkel kreuzen sich die Leiterbahnen auf verschiedenen Ebenen. Diese Konfiguration senkt die Kapazität der Leiterbahnen auf der Leiterplatte und den Überlappungsbereich zwischen den Lagen. Außerdem bietet sie den Designern eine zuverlässigere Kontrolle über die Signale auf einem stark frequentierten Datenbus.
Die dritte Methode ist die Verwendung eines Guard Trace PCB-Layout. Dies ist eine sehr starke Methode, um ein Hochgeschwindigkeits-Taktsignal oder ein empfindliches Analogsignal zu schützen. Eine Guard Trace ist eine Kupferbahn, die Sie neben Ihrer empfindlichen Signalbahn anbringen. Diese Leiterbahn ist jedoch in der Regel über einige Durchkontaktierungen mit Masse verbunden. Sie funktioniert wie eine Abschirmung. Sie fängt die elektrischen Feldlinien ab, die von der Signalbahn ausgehen.
Wenn elektrische Feldlinien von der Signalleitung ausgehen, nimmt die Guard-Leitung diese auf und leitet sie sicher zur Erde. So wird verhindert, dass das Übersprechen auf ein benachbartes Signal übergreift. Diese Technik bietet einen robusten Schutz vor Interferenzen und isoliert gleichzeitig wichtige Signale von ihrer Umgebung. Wenn sie neben schnellen digitalen Signalen platziert wird, verhindert sie besonders effektiv, dass Rauschen in empfindliche, niederschwellige analoge Signale gelangt.
Endkontrollen und kontrollierte Impedanz
Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns geht das Ziel von der Verringerung der Kapazität zur Kontrolle derselben über. In diesem Stadium wird die Debatte zwischen kontrollierter Impedanz und Kapazität entscheidend. Designer stellen Leiterbahnen für Signale wie USB, Ethernet oder DDR-Speicher auf bestimmte Impedanzwerte ein, z.B. 50 oder 90 Ohm. Impedanz ist eine Kombination aus Widerstand, Kapazität und Induktivität, und jeder Faktor muss sorgfältig gesteuert werden.
Um die richtige Impedanz zu erreichen, müssen Sie die dielektrische Dicke, die Dielektrizitätskonstante und die Leiterbahnbreite präzise einstellen. Eine Verringerung der Kapazität allein funktioniert nicht. Stattdessen müssen Sie für einen bestimmten Kapazitätswert entwerfen, der zusammen mit den anderen Variablen die gewünschte Impedanz ergibt.
In diesen Designs ist die Kapazität mehr als nur ein parasitärer Effekt. Sie ist für den Betrieb der Schaltung unerlässlich. Sie bestimmen die genaue Geometrie, die Sie benötigen, um Ihr Impedanzziel zu erreichen, indem Sie ein Field Solver Tool oder ein PCB Leiterbahn-Kapazitätsrechner. Das Ziel ist nicht mehr, die Kapazität zu minimieren, sondern sie präzise zu kontrollieren.
Die Kontrolle der parasitären Kapazitäten auf der Leiterplatte ist einer der wichtigsten Aspekte des modernen Elektronikdesigns. Sie können sie nicht als nachträglichen Gedanken am Ende des Projekts behandeln. Sie müssen sie von Anfang an in den Plan einbeziehen, angefangen bei der Platzierung der Komponenten und dem Design des Lagenaufbaus. Wenn Sie diese Prinzipien befolgen, erstellen Sie Designs, die zuverlässig und effizient funktionieren.
Zusammenfassend
Man braucht keine Magie, um die Kapazität von Leiterbahnen zu reduzieren. Es erfordert ein solides Verständnis der grundlegenden Ideen. Die einfachsten Ansätze sind häufig die erfolgreichsten. Legen Sie Ihre Leiterbahnen weiter auseinander. Vermeiden Sie lange Parallelführungen und halten Sie Ihre Leiterbahnen kurz. Verwenden Sie zwischen Ihrer Grundplatte und Ihrer Signalschicht ein dickeres Dielektrikum.
Verwenden Sie zusätzlich eine geerdete Leiterbahn, um extrem empfindliche Signale zu schützen. Die Wahl eines hochwertigen Leiterplattenmaterials mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante ist eine gute Wahl für die anspruchsvollsten Anwendungen. Wenn Sie sich auf diese grundlegenden Konzepte konzentrieren, können Sie zuverlässige, hochleistungsfähige elektronische Geräte entwickeln und das verborgene Reich der parasitären Kapazitäten erfolgreich durchschreiten.
