محاسبۀ پهنا و امپدانس مسیر در برد مدار چاپی PCB

توسط | 7 دی, 1398 | برد مدار چاپی, طراحی PCB | 5 دیدگاه ها

محاسبه-امپدانس-مسیر-pcb

آموزش طراحی PCB و نویز یوبرد

تجسم دنیای الکترونیک

آموزش های رایگان طراحی PCB و آلتیوم

فیلم های آموزش طراحی PCB

آموزش خصوصی طراحی PCB

امپدانس مسیر چیست؟ فرمول استاندارد IPC برای پهنای مسیر چیست؟ افت ولتاژ یک مسیر چه قدر است؟ پهنای مسیر چگونه محاسبه می شود؟ پهنای مسیر تغذیه را چگونه محاسبه کنیم؟ پهنای لازم برای عبور جریان های مختلف چقدر است؟ امپدانس مسیر چگونه محاسبه می شود؟ امپدانس مسیر چقدر اهمیت دارد؟ رابطۀ بین دما، امپدانس مسیر، طول و پهنای مسیر چیست؟ برای پاسخ به این سوالات با ما همراه باشید.

امپدانس مسیر در PCB در افت ولتاژ یک مسیر و حداکثر جریان عبوری از آن موثر است. امپدانس مسیر باعث افت ولتاژ و محدود شدن حداکثر جریان عبوری از آن مسیر می شود، هر چه امپدانس مسیر بیشتر باشد، افت ولتاژ دو سر مسیر بیشتر می شود. همچنین با توجه به امپدانسی که وجود دارد، جریان الکتریکی گذرنده از آن مسیر محدود می شود. بنابراین محاسبۀ امپدانس مسیر در طراحی PCB از اهمیت ویژه ای برخوردار است. منظور ما از امپدانس مسیر در این نوشته مقدار مقاومت اهمی مسیر است که در دو سر مسیر به وجود می آید و بحث ما مربوط به مسیرهایی با سیگنال های DC است.

در محاسبۀ امپدانس خطوط در PCB، پارامترهایی مانند مساحت سطح مقطع مسیر، طول مسیر، دمای کاری و … دخیل هستند. در این نوشته روش محاسبۀ امپدانس مسیر با توجه به دما، ضخامت صفحۀ مس و پهنا و طول مسیر بیان و همچنین دربارۀ نکات مسیر تغذیه صحبت می شود.

امپدانس مسیر تغذیه چقدر باشد؟

امپدانس مسیر تغذیه باید در حد چند اهم باشد (مثلاً زیر 2 اهم). زیرا جریان الکتریکی المان های مدار را تأمین می کند. و این جریان بیشتر از جریان سایر مسیرهای روی PCB است. اگر امپدانس مسیر تغذیه زیاد باشد، جریانی که از آن عبور می کند باعث افت ولتاژ در مسیر تغذیه می شود. مقدار این این افت ولتاژ از رابطۀ V=IR (قانون اهم) به دست می آید. برای مثال فرض کنید مسیر تغذیۀ یک موتور DC دارای امپدانس 3 اهم باشد. جریان نامی موتور نیز 1 آمپر باشد. در این صورت ولتاژی که روی مسیر تغذیه می افتد برابر 3 ولت است. اگر تغذیۀ ما مثلاً 12 ولت باشد، به موتور تنها 9 ولت می رسد.

ممکن است این افت ولتاژ در این کاربرد برای ما اهمیت نداشته باشد، اما مواردی وجود دارد که این افت ولتاژ بسیار اهمیت دارد. برای مثال اگر یک المان مثل SIM800 داشته باشیم و امپدانس مسیر تغذیۀ آن طوری بالا باشد که  ولتاژ روی پایۀ تغذیۀ این المان کمتر از 3.5 ولت باشد، این المان هنگام جریان کشی خاموش می شود. زیرا امپدانس بالای مسیر تغذیۀ آن باعث افت ولتاژ می شود.

نکتۀ دیگری که وجود دارد، میزان تحمل مسیر در برابر جریان عبوری است. مسیرهایی که باریک هستند توانایی عبور جریان های بالا را ندارند. جریان عبوری باعث داغ شدن و در نهایت ذوب شدن جایی از این مسیر می شود. بنابراین باید این مسیرها به اندازۀ کافی پهن باشند.پهنای مسیر خود یکی از پارامترهای مؤثر در امپدانس مسیر است.

با توجه به موارد گفته شده امپدانس مسیر هر چقدر کمتر باشد، هم باعث افت ولتاژ کمتر و هم باعث بالا رفتن تحمل جریان یک مسیر می شود. سایت هایی وجود دارند که محاسبات حداکثر جریان، امپدانس، افت ولتاژ و پهنا و طول مسیر را انجام می دهند. در ادامه یکی از این سایت ها را می بینیم. وجود این سایت ها و استفاده از آنها می تواند در انتخاب درست مشخصات یک مسیر بسیار مفید باشد. اما باید توجه داشت که محاسبات آنها با توجه به چه شرایط و پارامترهایی است. زیرا برخی از این سایت ها همۀ شرایط را در نظر نمی گیرند. درادامه دو مورد از این سایت ها را می بینیم.

محاسبۀ امپدانس مسیر در PCB با استفاده از سایت های اینترنتی

در سایت هایی که محاسبات PCB را انجام می دهند برای محاسبۀ پارامترهای مسیر باید مقادیری را در تکست باکس ها وارد کنیم. این مقادیر معمولاً شامل جریان عبوری از مسیر، دمای کاری و … هستند. با وارد شدن این مقادیر، در خروجی مقدار پهنای لازم مسیر، افت ولتاژ، امپدانس مسیر و … نمایش داده می شوند. همۀ پارامترهایی که در ورودی و خروجی محاسبه کنندۀ این سایت ها وجود دارد ممکن است در سایت های دیگر وجود نداشته باشند.

به تصویر زیر توجه کنید. این تصویر دو محاسبه کنندۀ آنلاین مسیر را نشان می دهد. تصویر سمت چپ مربوط به سایت 7pcb.com و تصویر سمت راست مربوط به سایت 4pcb.com می باشد.

تصویر 1 – دو محاسبه کنندۀ مسیر PCB

برای محاسبۀ پهنای مسیر و امپدانس آن باید مقدار جریان و ضخامت مسیر را وارد کنیم. می توانیم دمای محیط (Ambient Temperature) و میزان بالا رفتن آن (Temperature Rise) را نیز در تکست باکس های مربوط قرار دهیم. برای محاسبۀ امپدانس مسیر و افت ولتاژ نیاز است که طول مسیر را نیز وارد کنیم. با وارد کردن این مقادیر، در خروجی پهنای (لازم) مسیر یعنی Required Trace Width و مقدار امپدانس مسیر (Resistance) و همچنین مقدار افت ولتاژ (Voltage Drop) محاسبه می شود.

هر دوی این سایت ها از فرمول های استاندارد IPC-2221 استفاده می کنند. این فرمول ها به صورت زیر هستند.

تصویر 2 – فرمول های IPC-2221 برای محاسبۀ پهنای مسیر در PCB

در این فرمول ها مقادیر b و c ثابت و به ترتیب برابر 0.44 و 0.725  هستند. مقدار k برای لایه های داخلی 0.024 و برای لایه های بیرونی برابر 0.048 است. Current مقدار جریانی است که از مقطع مسیر عبور می کند. Temp_Rise مقدار افزایش دما است. مقدار افزایش دما در سایت های مذکور با Temperature Rise نشان داده شده اند. Thickness نیز ضخامت لایۀ مس در PCB است. oz یا oz/ft^2 (اونس بر فوت مربع) نیز یک واحد برای ضخامت است. هر oz/ft^2 برابر 34.79 میکرومتر است. سطح مقطع مسیر نیز به شکل زیر است که می شود حاصل ضرب Width در Thickness.

تصویر 3 – سطح مقطع مسیر

مثال محاسبۀ پهنا و امپدانس مسیر با فرمول و سایت

با توجه به فرمول های بالا و همچنین سایت های مذکور می خواهیم پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر را برای عبور جریان 1 آمپر از یک مسیر با ضخامت 18 میکرومتر محاسبه کنیم. ابتدا باید سطح مقطع مسیر محاسبه شود. مسیر مورد نظر در لایۀ Top یا Bottom قرار دارد. مقدار دما نیز 35 درجۀ سانتیگراد و مقدار افزایش دما برابر 10 درجۀ سانتیگراد است.

با توجه به این که 18 میکرومتر برابر 0.517 oz است داریم:

بنابراین حداقل پهنای مسیر برای عبور 1 آمپر جریان باید برابر 22.95 میلی اینچ باشد. حال این مقدار را با استفاده از سایت 4pcb.com و سایت 7pcb.comمحاسبه می کنیم. این محاسبه را در تصویر زیر می بینید. فرض می کنیم طول مسیر برابر 100 میلی متر است. می بینیم که مقدار width که محاسبه شده با مقدار به دست آمده توسط فرمول برابر است. مقدار افت ولتاژ و امپدانس مسیر در دو سایت نیز تقریباً با هم برابرند.

تصویر 4 – پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر محاسبه شده توسط سایت اینترنتی

نکتۀ مهمی که در استفاده از فرمول و سایت ها وجود دارد، یکاهای اندازه گیری پارامترهاست. باید به یکاهای اندازه گیری به ویژه در محاسبۀ فرمولی دقت کرد.

تأثیر طول مسیر بر پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر

در این دو سایت مقدار طول مسیر را می توان وارد کرد. مقدار طول مسیر در محاسبۀ پهنای آن تأثیری ندارد. تأثیر آن در امپدانس مسیر و افت ولتاژ دو سر مسیر است. اگر مقدار طول مسیر را زیاد کنیم می بینیم که امپدانس مسیر و افت ولتاژ آن زیاد می شود. تصویر زیر را با تصویر قبلی مقایسه کنید.

تصویر 5 – تغییر مقدار طول مسیر و تأثیر آن بر پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر

با توجه به این که امپدانس مسیر و افت ولتاژ آن با طول مسیر تغییر می کند، باید پهنای آن طوری انتخاب شود که هم جریان مورد نظر به خوبی هدایت شود، هم افت ولتاژ و امپدانس مسیر کم شود.

فرمول امپدانس مسیر

هر یک از خروجی های محاسبه کنندۀ پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر در سایت های مذکور با فرمول هایی این مقادیر را به دست می آورند. مقدار افت ولتاژ که با توجه به امپدانس مسیر و جریان عبوری با استفاده از قانون اهم (V=IR) به دست می آید. پهنای مسیر نیز با توجه به فرمول های گفته شده محاسبه می شود. فرمول امپدانس مسیر نیز با توجه به سایت 7pcb.com به صورت زیر است.

مقدار Resistivity یا همان مقاومت ویژۀ الکتریکی برای مس برابر  1.7 e-6 اهم در متر (Ohm.m) و مقدار Temp_Co یعنی ضریب دمایی آن 3.9 e-3 بر کلوین (1/k) است. با توجه به فرمول بالا امپدانس مسیر با طول رابطۀ مستقیم و با دما و سطح مقطع مسیر نسبت عکس دارد. بنابراین برای کاهش امپدانس مسیر باید طول آن کم شود. و همچنین باید سطح مقطع آن زیاد شود. که با افزایش پهنای مسیر، سطح مقطع آن زیاد می شود.

آیا محاسبات امپدانس مسیر با وجود وایا متفاوت است؟

نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که تمامی این مقادیر و فرمول ها برای مسیرهای بدون وایا است. یعنی اگر مسیری داشته باشیم که در جایی با وایا به پشت و یا لایه های داخلی بورد منتقل شده باشد، محاسبات آن متفاوت است. یعنی پهنا، افت ولتاژ و امپدانس مسیر دیگر با این فرمول ها و سایت ها محاسبه نمی شوند.

از محاسبۀ امپدانس مسیر نتیجه می گیریم:

  1. امپدانس مسیر باعث افت ولتاژ و محدود شدن حداکثر جریان عبوری مسیر می شود.
  2. در محاسبۀ امپدانس مسیر عواملی مانند دما، ضخامت لایۀ مس، پهنا و طول مسیر دخالت دارند.
  3. امپدانس مسیر تغذیه (یعنی خطوط VCC و گراند) باید در حد چند اهم باشد. هر چقدر امپدانس مسیر تغذیه کمتر باشد بهتر است.
  4. مسیرهای باریک هم باعث امپدانس بالا (و در نتیجه افت ولتاژ بیشتر) می شوند و هم تحمل جریان های بالا را ندارند. بنابراین مسیرهای تغذیه باید عریض باشند.
  5. در محاسبۀ امپدانس مسیر با استفاده از سایت های اینترنتی باید به واحدهای اندازه گیری پارامترها دقت کرد.
  6. در سایت های محاسبه کنندۀ پهنا و امپدانس مسیر، پهنای مسیر اغلب با جریان گذرنده از مسیر، دمای محیط و ضخامت لایۀ مسی محاسبه می شود و فرمولی که مقدار امپدانس مسیر و یا افت ولتاژ مسیر را به عنوان ورودی بگیرد و پهنای مسیر را در خروجی بدهد در آنها به کار برده نمی شود.
  7. امپدانس مسیر و افت ولتاژ آن با طول مسیر نسبت مستقیم و با پهنای مسیر نسبت عکس دارد. بنابراین برای کاهش امپدانس مسیر و افت ولتاژ آن باید طول مسیر کم و پهنای آن زیاد شود.
  8. امپدانس مسیر با دما رابطۀ عکس دارد.
  9. در مسیرهایی که در آنها مسیر با وایا به لایۀ دیگر منتقل می شود، فرمول ها و سایت های گفته شده به کار نمی آیند.

آموزش های مرتبط با این نوشته:

فیلم آموزش طراحی PCB با آلتیوم مقدماتی

فیلم آموزش لحیم کاری و مونتاژ

رضا اسدی

رضا اسدی

مدیر یوبرد، خالق و توسعه دهندۀ پلتفرم یوبرد، مجری پروژه های الکترونیکی، فعال در صنعت آسانسور، سابقه فعالیت در صنعت خودرو و همکاری در صنعت پزشکی و صنایع دیگر، آموزگار آموزش های یوبرد

سفارش پروژه میکروکنترلر یوبرد

زیرساخت مطمئن صنعت

جدیدترین تاپیک های طراحی PCB

تست-الکتریکال-pcb

تست الکتریکال PCB و روش های آن

تست الکتریکال برد مدار چاپی چیست؟ برخی انواع تست PCB، تست الکتریکال PCB، پارامترهای اندازه گیری در تست الکتریکال، روش های تست الکتریکال برد مدار چاپی، روش تست Flying probe، روش تست Universal grid یا Bed of nails، نکات تست الکتریکال برد مدار چاپی

رله-relay

رله، سوییچ تحریک پذیر

تعریف رله، تاریخچه، طرز کار رلۀ الکترومکانیکی، اصطلاحات، انواع الکترومکانیکی، رلۀ حالت جامد، رلۀ هیبریدی، رلۀ حرارتی و انواع تحریک شونده با عوامل غیر الکتریکی، انواع موجود در صنعت برق و برق صنعتی، رلۀ ایمنی و برخی انواع حفاظتی، رلۀ دیجیتال، لزوم استفاده و راه اندازی رله، مشخصات الکتریکی

دیود-tvs

دیود TVS، حذف ولتاژ گذرا و ESD

ولتاژ گذرا و TVS (Transient Voltage Suppression) چیست؟ دیود TVS چیست؟ حذف ولتاژ گذرا با دیود TVS، حذف تخلیه الکتریسیته ساکن (ESD) با TVS، مشخصات الکتریکی دیودهای TVS، انواع دیودهای TVS، نماد شماتیک دیودهای TVS، کاربرد دیودهای TVS، کاربرد خودرویی، تفاوت دیودهای TVS و دیودهای زنر، انتخاب دیودهای TVS مناسب

original-and-fake-electronic-components

تشخیص قطعات الکترونیکی اصلی از تقلبی

سرچشمۀ قطعات الکترونیکی تقلبی کجاست؟ روش های تشخیص قطعات الکترونیکی اصلی و تقلبی، خرید از تأمین کنندگان معتبر، تشخیص از روی ظاهر، تشخیص از عملکرد قطعات، تشخیص با استفاده از X-ray، اثرات فرایند Sand Blasting و Blacktopping، تست مقاومت در مقابل حرارت، مارک گذاری جوهر افشان، نامرتب و اشتباه

5 دیدگاه ها

  1. سلام استاد. دستتون درد نکنه. عالی بود. یه ابزار هست توی آلتیوم که باهاش مسیرها رو مارپیچی رسم میکنن. اسمش یادم رفته. درباره ش مطلب بذارید. ممنونم

    پاسخ
    • سلام. خواهش میکنم لطف دارید. بله. ابزار Interactive Length Tuning که توی نوشتۀ Interactive Length Tuning در آلتیوم درباره ش توضیح دادیم.

      پاسخ
  2. سلام. سوالی داشتم از خدمتتون. آیا محاسبۀ امپدانس مسیر در PCB واقعا لازم هست؟ در چه کاربردهایی واقعا نیاز به این کار داریم؟

    پاسخ
    • در کاربردهای کلاس 3 که محصولات حساس یا حتی کلاس 2 و یا محصولاتی که شرکت های معتبر حتی در کلاس 1 ولی در تعداد بالا تولید می کنند انجام میشه. توضیح بیشتر درمورد کلاسهای مختلف محصولات الکترونیکی در آموزش مونتاژ و لحیم کاری قطعات الکترونیکی ذکر شده.

      پاسخ
  3. سلام
    ممنون از آموزش های کامل و کاربردی تون.
    برای محاسبات مسیر تغذیه وایا دار باید چیکار کنیم؟ آیا فرمول جداگانه ای داره؟ اصول محاسباتش به چه صورته؟

    پاسخ

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دیگر آموزش های یوبرد

آموزش لحیم کاری و IPC-A-610 یوبرد

ساخت دنیای الکترونیک

آموزش زبان C و MISRA-C یوبرد

گام نخست دنیای میکروکنترلر

آموزش Arm STM32 یوبرد

شروع بازی ST

آموزش FreeRTOS یوبرد

زمان واقعی در میکروکنترلر و پردازنده های کوچک با FreeRTOS

آموزش آردوینو یوبرد

جادۀ آسفالت میکروکنترلر

آموزش ماژول های SIM800 یوبرد

تلفن همراه صنعت

آموزش زبان ++C و ++MISRA-C یوبرد

لمس شی گرایی در میکروکنترلرها

آموزش میکروکنترلرهای AVR یوبرد

شاهکار 8 بیتی Atmel

آموزش میکروکنترلرهای LPC یوبرد

یادگار فیلیپس

آموزش های شاخص

ضبط پیام صوتی

زمان هر پیام صوتی 4 دقیقه است