Il miglior software di progettazione PCB dispone di un calcolatore di larghezza di pista e di impedenza PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: November 9, 2020
Il miglior software di progettazione PCB dotato di un calcolatore di impedenza delle tracce PCB

Le funzionalità di traccia, pad e via del PCB sono tra le più importanti nel circuito stampato e devono essere progettate con cura. La giusta area di traccia della sezione trasversale e la distanza dal piano di riferimento più vicino garantiranno che l'impedenza della traccia PCB sia coerente su tutta la scheda. Questo può anche aiutare a sopprimere l'aumento di temperatura se la scheda funziona a una corrente elevata.

La scelta delle corrette dimensioni della traccia nel circuito stampato rappresenta un compromesso tra questi aspetti prestazionali. Un programma di progettazione di circuiti stampati di alto livello può aiutarti ti assiste nel calcolo della larghezza delle piste PCB in modo che l'impedenza della stessa sia coerente su tutta la scheda e che le piste siano instradabili. Altium Designer contiene gli strumenti di progettazione e routing delle interconnessioni necessari per qualsiasi PCB, in un'unica piattaforma.

Altium Designer

Un'applicazione di progettazione PCB efficace che include strumenti di calcolo della impedenza e larghezza delle piste PCB (PCB trace width calculator) per un routing accurato e integrità del segnale.

L'importanza del calcolo di impedenza e larghezza delle piste PCB

C'è un detto nella comunità del design ad alta velocità: ci sono quelli che hanno problemi di integrità del segnale e… quelli che presto avranno problemi di integrità del segnale. Una volta che il mondo dei circuiti integrati ha superato l'introduzione della TTL, la commutazione tra gli stati logici è diventata tanto veloce da richiedere l'adozione di misure per garantire l'integrità del segnale nelle proprie tracce. La mancata corrispondenza di impedenza fra le tracce era tollerabile, poiché solo le tracce più lunghe fungevano da linee di trasmissione e potevano essere facilmente terminate con un resistore e/o un condensatore.

Oggi, poiché i componenti includono un numero di pin più elevato, vengono instradati attraverso più layer nello stack-up e la densità delle tracce è aumentata, assicurare che le tracce abbiano un'impedenza definita è fondamentale per garantire che i segnali rimangano puliti e che gli effetti della linea di trasmissione possano essere evitati. L'utilizzo dello stack-up multistrato corretto e il mantenimento della giusta geometria di traccia sono fondamentali per mantenere l'integrità del segnale in tutto il dispositivo.

Lavorare con il giusto software di progettazione PCB ti aiuterà a mantenere l'integrità del segnale su tutto il circuito, senza dover definire manualmente la geometria di ogni singola traccia del dispositivo. Altium Designer include strumenti per: il calcolo dell'impedenza delle piste PCB, il calcolo della larghezza delle tracce PCB a norma IPC 2152 e una serie di altri strumenti di progettazione essenziali. Queste importanti funzionalità sono integrate nelle regole di progettazione, rendendo il routing a impedenza controllata semplice e veloce.

Schermata del routing a coppia differenziale in 3D in un calcolatore di impedenza delle tracce PCB

Vista 3D di un PCB complesso a impedenza controllata in Altium Designer.

Come applicare il routing a impedenza controllata

Ovviamente, la relazione tra il posizionamento del piano di massa, il layer stack-up e la geometria di traccia nel circuito stampato sono interconnessi. Cambiando la posizione dello stack-up e del piano di massa in rame, cambierà la geometria di traccia necessaria per mantenere il valore di impedenza corretto durante il routing. Ciò influirà anche sulla potenza dissipata lungo una traccia, che a sua volta inciderà sull'aumento della temperatura. L'impedenza di traccia è inoltre correlata alla costante dielettrica del materiale substrato ed è anche influenzata dalla temperatura.

Per calcolare la larghezza e lo spessore della traccia della microstrip in rame per un determinato valore di impedenza, è necessario risolvere un'equazione trascendentale per il rapporto tra larghezza e spessore della traccia, in cui l'altezza della traccia al di sopra del suo piano di massa viene utilizzata come parametro. Ciò richiede il calcolo manuale di un'intersezione tra la curva di impedenza della traccia della microstrip e una funzione lineare che definisce il rapporto larghezza/spessore. Il giusto software di progettazione può implementare questo calcolo al tuo posto, facendoti risparmiare tempo da dedicare alla progettazione della scheda piuttosto che al calcolo di questo importante parametro.

Molti problemi di integrità del segnale possono essere alleviati con un routing a coppie differenziali, poiché queste tracce possono rifiutare il rumore di modo comune in un circuito stampato. Inoltre, non richiedono l'uso di un piano di massa, poiché il segnale di ritorno viene instradato insieme al segnale principale. Ciò aiuta anche a mantenere l'impedenza caratteristica, purché si mantenga una distanza adeguata e una lunghezza di traccia costante. Con il giusto software di progettazione, questi vincoli possono essere definiti anche all'interno delle regole di progettazione.

Garantire il controllo dell'impedenza con un calcolatore di impedenza della pista PCB (PCB trace width calculator)

Una volta determinata la giusta geometria di traccia di cui hai bisogno, dovrai instradare le tue tracce su tutta la scheda. L'obiettivo è effettuare le connessioni necessarie garantendo l'integrità del segnale. In genere è buona norma ridurre al minimo l'uso di vias sulle interconnessioni dei circuiti stampati, in quanto possono agire come interferenze di impedenza e accoppiare ai segnali il rumore proveniente da piani di massa o di alimentazione vicini.

La gestione dell'impedenza caratteristica e dell'impedenza differenziale può essere difficoltosa. Gli strumenti di routing adatti all'interno del software di progettazione PCB possono farti risparmiare una notevole quantità di tempo e aiutarti a implementare con facilità la strategia di routing corretta. Le funzionalità di routing devono interfacciarsi con le regole e i vincoli di progettazione, in quanto ciò consente di definire le tolleranze di larghezza della traccia e i requisiti di distanza appropriati fra le tracce adiacenti. L'obiettivo consiste nel mantenere la diafonia e altri problemi di integrità del segnale al minimo, applicando al contempo il controllo dell'impedenza nel layout PCB.

Schermata dell'editor di vincoli e regole PCB in Altium Designer per la larghezza delle tracce PCB

Finestra del gestore di regole di impedenza differenziale di Altium Designer.

Utilizzo di un calcolatore IPC-2152 per le larghezze di pista PCB

Determinare la larghezza di traccia appropriata per un particolare limite di: temperatura, densità di corrente, materiale del substrato e numero di strati non è facile. Fortunatamente, lo standard IPC-2152 include dimensioni di traccia PCB adeguate a queste diverse situazioni. È possibile calcolare facilmente le larghezze delle piste PCB in base agli standard o sfruttare le regole di progettazione interne nel software PCB.

Una volta stabilite le dimensioni corrette della traccia per il circuito stampato in funzione della densità di corrente, dovrai applicare tali dimensioni durante la progettazione e il layout del circuito stampato. Avrai bisogno di un software di progettazione PCB che applichi l'integrazione tra gli strumenti di routing e le regole di progettazione. Ciò consente di posizionare automaticamente più tracce con la sezione trasversale richiesta, piuttosto che definire manualmente ogni traccia sulla scheda. In questo modo, il flusso di progettazione PCB sarà più produttivo e più preciso.

Il calcolatore IPC-2152 di Altium Designer farà il lavoro per te

Dopo aver inserito i materiali della scheda e i relativi spessori della traccia nel gestore del layer stack, il calcolatore di impedenza utilizzerà le formule standard di settore per il calcolo delle larghezze di routing di stripline e microstrip, e inserirà tali valori nelle regole di progettazione. Altre considerazioni come la permittività relativa o la costante dielettrica non vengono tenute in conto in questo processo. Dopo aver immesso i valori di impedenza desiderati nei tuoi profili di impedenza, le regole di progettazione verranno aggiornate automaticamente con le larghezze di routing corrette e sarai pronto a tracciare la scheda.

Schermata del layer stack manager di Altium Designer nel calcolatore di impedenza delle tracce

Puoi utilizzare il PDN Analyzer di Altium Designer per identificare tracce e vias calde.

Controllo dell'impedenza della traccia PCB e controllo termico estremamente accurati

I calcolatori di impedenza di terze parti che si possono trovare in rete possono aiutare a farsi un'idea della migliore geometria di traccia, della disposizione e del layer stack che aiutano a controllare l'impedenza della scheda. Tuttavia, questi calcolatori non si interfacceranno mai direttamente con il software di layout PCB come parte delle regole di progettazione. Sarai ancora bloccato a controllare l'impedenza di ogni traccia sulla scheda, anche se utilizzi il routing automatizzato o interattivo.

Sebbene non sia possibile cambiare le leggi della fisica o modificare le equazioni reali che definiscono l'impedenza delle tracce e delle vias, il giusto software di progettazione consente di controllare il routing della scheda in base ai valori di impedenza desiderati. Quando il software è creato a partire da un unico motore di progettazione basato su regole, i calcoli di impedenza delle piste PCB possono essere inclusi come parte integrante degli strumenti di routing, assicurando che l'impedenza della traccia assuma sempre il valore desiderato.

Le regole di progettazione non si limitano al controllo dei parametri di routing, del posizionamento dei componenti e delle connessioni tra i componenti, ma semplificano la verifica del progetto mentre crei il layout del circuito stampato e ti consentono di vedere immediatamente se il progetto deve essere modificato. Tutto questo è possibile se utilizzi un software di progettazione di circuiti stampati che unifica il motore delle regole di progettazione con gli strumenti di layout e routing, ed è esattamente ciò che troverai in Altium Designer.

Schermata dell'editor di vincoli e regole in Altium Designer

Definire l'impedenza della traccia PCB come regola di progettazione in Altium Designer

Altium Designer semplifica il calcolo della larghezza delle piste PCB

La progettazione PCB in passato coinvolgeva un esercito di ingegneri per lo sviluppo di un circuito stampato, ciascun membro del team di progettazione doveva essere responsabile di diversi aspetti del progetto. Di solito, c'era qualcuno che gestiva le configurazioni del layer stack della scheda e calcolava le larghezze delle tracce, oltre alla spaziatura per il routing a impedenza controllata. Gli strumenti di progettazione giusti riducono il tempo necessario per progettare larghezze di traccia PCB per un'impedenza controllata e un aumento minimo della temperatura a norma IPC-2152.

Altium Designer racchiude l'efficienza di un esercito di progettazione di circuiti stampati in un'unica potente applicazione con tutti gli strumenti di cui hai bisogno. Avrai un set completo di strumenti di progettazione per la creazione di schematici e layout, seguiti dalla preparazione per la produzione PCB e i processi di assemblaggio PCB. Tutti gli strumenti di progettazione necessari, incluso un field solver integrato per i calcoli di impedenza delle piste PCB, si interfacceranno direttamente con le regole di progettazione durante la creazione della scheda. È finito il tempo in cui per un singolo progetto è necessario ricorrere a più programmi.

 

Il calcolatore di impedenza delle piste PCB incorporato in Altium Designer

Come progettista PCB, hai tante responsabilità. Lascia che Altium Designer ti aiuti ad alleviarne il carico con il suo calcolatore di impedenza delle piste incorporato, questo ti permette di configurare il tuo progetto per il routing a impedenza controllata. Queste importanti funzionalità di progettazione sono integrate in un unico programma oltre a un motore di progettazione basato su regole. Questo motore assicura che le larghezze delle tracce PCB siano conformi a importanti regole di progettazione che regolano gli standard di routing, nonché la producibilità e l'assemblaggio PCB.

Potrai anche preparare i file di progetto per la produzione PCB senza dover inviare i tuoi dati a un programma esterno. Ciò ti consente di risparmiare tempo nel trovare un PCB trace width calculator esterno e gestire i numeri da solo. Prova il set più completo di utility di progettazione PCB costruite secondo gli standard del settore: è tempo di passare ad Altium Designer.

La collaborazione fra Altium Designer e Altium 365 offre un valore d'integrazione senza precedenti nel settore dell'elettronica, finora relegato solamente al mondo dello sviluppo dei software, consentendo ai progettisti di lavorare da remoto e raggiungere straordinari livelli di efficienza.

Questo è solo un piccolo esempio di ciò che è possibile realizzare con Altium Designer tramite Altium 365. Prova gratuitamente gli strumenti di Altium o, per una descrizione più approfondita delle funzionalità, puoi seguire uno dei webinar on-demand.

Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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