最初學習PCB設計時,很多老師說過:注意不要走直角。很多人也認為優(yōu)秀的電子工程師都應該在PCB電路設計時避免直角走線。
但事實上,PCB一定不能直角走線嗎?
01 能不能直角走線,電路頻率說了算!
PCB并不是絕對不能直角走線,而是視電路情況而定。當電路頻率較低時,可直角走線;當電路頻率較高時,不能直角直線。
因為當PCB直角走線時,在傳輸線拐角處的線寬變大,約為正常線寬的1.414 倍。由于線寬改變,導致阻抗變小,產生一定的信號反射。同時,90度拐角處還會產生寄生電容/寄生電感和尖端EMI。
但在頻率較低的電路中,我們一般不考慮走線阻抗的匹配問題。因為低頻信號的波長相對于信號傳輸線來說很長,所以可以把傳輸線看作“短線”,不用考慮阻抗突變產生的信號反射問題。同樣的,直角走線產生的寄生電容、寄生電感和尖端EMI對低頻信號傳輸?shù)挠绊懸埠苄 ?/span>因此,對于低頻電路來說,直角走線不是一個問題。
不過,對于頻率較高的電路來說,直角走線這個小問題就會被放大,其產生的負面影響很大。直角走線導致阻抗的不連續(xù),會引起待高頻信號本身的反射,信號在PCB中傳輸會有延時,如果時序沒有匹配,系統(tǒng)就會罷工。
同時,高頻信號傳輸線總是希望能盡量降低信號的損耗,90°拐角處的阻抗不連續(xù)和產生的寄生電容會引起高頻信號的相位和振幅誤差、輸入與輸出的失配,以及可能存在的寄生耦合,進而導致電路性能的惡化,影響PCB電路信號的傳輸特性。
在高頻高速PCB設計過程中,通常將阻抗變化控制在±10%的范圍內,否則可能會產生信號失真。這意味著,如果我們把高頻電路阻抗設置成常用的50Ω,那阻抗控制就要在45Ω~55Ω之間。以6層板A-1080疊層為例,TOP層信號線參考L2層,當阻抗為50Ω時,計算得線寬為3.97mil。
阻抗計算工具:華秋DFM但如果此時信號線中突然出現(xiàn)一個直角,此時直角處的線寬會突變?yōu)?.97*1.414=5.61mil。其他條件不變的情況下,用5.61mil線寬計算出阻抗為42.63Ω,偏離目標值50Ω太大,信號很可能就會失真。
阻抗計算工具:華秋DFM
事實上,不光是直角走線,鈍角和銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況,所以理論上最好的拐角方式是圓弧(線寬沒變化)。但是一般設計中我們都是使用45°/135°拐角,圓弧拐角一般只是出現(xiàn)在RF射頻PCB中,要求無損傳輸?shù)那闆r下。 02直角走線或導致PCB線路腐蝕過度
從PCB生產工藝角度來看,銳角走線是絕對不允許的,而直角走線也是希望盡量避免的。
因為在 PCB 導線相交形成銳角處,會造成一種叫酸角“acid traps”的問題——在PCB制板的線路蝕刻環(huán)節(jié),銳角走線由于線路夾角太小,容易沉積藥水,造成PCB線路腐蝕過度,帶來PCB線路虛斷的問題。
焊盤的出線角度設置:避免導線與焊盤形成銳角角度的夾角
理論上直角90°走線也較容易沉積藥水,會有輕微的腐蝕性化學物質吸附效應,所以穩(wěn)妥起見,也盡量避免直角走線。因此,從PCB加工生產的角度來說,最好不要直角走線,而是采用弧形走線或鈍角走線。 03 直角走線不夠“美”
以工程美學來說,直角走線不太符合人們的審美觀。
所以,對于現(xiàn)在的layout來說,不論你是不是走的高頻高速信號線,我們都要盡量避免以90°拐角進行走線,除非有特殊的要求。
對于大電流走線,有時我們會以鋪銅替換走線的方式布線,在鋪銅的拐角處,也需要以兩個45°拐角替換90°拐角,這樣不僅美觀,而且不會存在EMI隱患。
兩個 45°拐角替換 90°拐角
結語:
總的說來,PCB直角走線并沒有想象中的那么可怕,至少在低頻電路應用中,直角走線帶來的影響并不是很嚴重。但考慮到PCB生產工藝,以及隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展,PCB工程師處理的信號頻率不斷提高,尤其是到10GHz以上的RF設計領域,直角走線就不怎么友好了,需要避開直角走線的設計。
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原文標題:PCB為什么不能直角走線?三大理由!
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