单面PCB布线阻抗的工程设计

        单面PCB布线阻抗的工程设计。碎片三分钟，收获一丢丢。

　　此课题来源于一次直播过程的学员提问，当时没回答，因为三言两语讲不清楚。

　　大概率您会这么想：

　　单面PCB，没有地平面，采用双侧都有地线的共面波导结构，就能实现布线阻抗控制：

 

　　想得美，理论丰满，现实骨感。

　　能想到用单面PCB实现布线阻抗控制的老板，一定在物料成本上考虑到了极致：

　　与常规双面PCB相比，单面PCB少了过孔金属化、背面铜蚀刻、背面丝印、背面绿油等工序，减少了PCB制造成本;

　　单面布线面积也一定会尽量减小，两侧铺地增加了布线面积、增加了布通难度，所以只能单侧铺地(跟随地线)。

　　那么，单侧铺地的阻抗由铺地间隙Gap大小决定?

　　那又单纯了，典型的没经过社会拷打。

　　能想到单面布线阻抗控制的老板，一定会找个极低成本的三线PCB厂家加工，别指望线宽(等同于线间隙Gap)加工精度了。这种三线PCB厂家只保证基本的通断。

　　单侧铺地的Gap与阻抗关系

 

　　为了让大家死心，特意用HFSS建模，FR4介质厚度20mil，铜厚1.4mil，线宽30mil。看一眼单侧铺地的Gap与阻抗关系：

　　看一眼单侧铺地的Gap与阻抗关系：

 

　　30mil线宽单面布线，铺铜间隙Gap=4mil(主流PCB厂家普通制造工艺能加工的铺铜间隙)，阻抗也只能做到77欧，与50欧相差太远。

　　铺铜间隙Gap=4mil大概是主流PCB厂家能保证通断能力的铺铜间隙，实际加工出来的Gap可能3~5mil范围，有+/-1mil误差是很正常的，会导致阻抗控制误差超过20%。

　　即使如此，别指望低成本的三流PCB厂家也能加工出4mil铺铜间隙。

　　上图的紫色线，对应铺铜间隙Gap=16mil。

　　解决方案

　　根据公式Z0 = sqrt(L0/C0)，增加单位长度的电容量，就能降低阻抗到50欧。

　　单位长度，是指远小于导波波长的长度。

　　单位长度的电容量，用均匀排列的贴片电容实现。

　　下图模型：

 

　　仿真出来的阻抗如下：

 

　　红线0.4pF，TDR曲线显示的阻抗88欧;

　　绿线2pF，TDR曲线是最接近于50欧的;

　　说明这个长度2000mil的布线结构，需要用贴片电容增加总共5*2 = 10pF左右的附加电容，才能将阻抗压到50欧左右。

　　看看回波损耗：

 

　　对于数字电路，假设以回波损耗10dB为限：

　　5*2pF拓朴结构，大致能传输1Gbps信号。

　　5*0.4pF拓朴结构，大致能传输0.15Gbps信号。

　　还是有收获的。

　　单位长度减半

　　下图模型：

 

　　看看上图拓朴结构的TDR瞬时阻抗，与上升沿Tr关系：

 

　　蓝线阻抗大致控制在+/-10%，对应上升时间Tr=200ps。

　　绿线阻抗大致控制在+/-5%，对应上升时间Tr=500ps。

　　再看看回波损耗：

 

　　按照前面假设的标准，每隔180mil布局1pF电容，大致能传输2.2Gbps数据信号。

　　本文的模型，用了HFSS的LumpRLC边界条件，这与实际的贴片元件仍然有分布参数的差异，低频率时误差不大。

　　总结

　　共面波导结构理论上能实现单面PCB布线的50欧阻抗控制，但实际工程上是很难实现的：因为要求铺铜间隔Gap小于4mil。

　　可以采用大的铺铜间隔Gap=20mil，但每隔单位长度布局贴片电容的办法实现50欧阻抗控制：

　　每隔360mil布局2pF电容，大致能传输1Gbps数据信号。

　　每隔180mil布局1pF电容，大致能传输2Gbps数据信号。

　　依此类推。

　　电容间隔总不能小于封装本体吧?因此，这种拓朴结构只能用于低频低速信号。

　　出品|EDA365

　　作者|何平华老师

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