محاسبۀ پهنا و امپدانس مسیر در برد مدار چاپی PCB

۱۴۰۰/۱۰/۱۸ شنبه

(1)

(0)

امپدانس مسیر چیست؟ فرمول استاندارد IPC برای پهنای مسیر چیست؟ افت ولتاژ یک مسیر چه قدر است؟ پهنای مسیر چگونه محاسبه می‌شود؟ پهنای مسیر تغذیه را چگونه محاسبه کنیم؟ پهنای لازم برای عبور جریان های مختلف چقدر است؟ امپدانس مسیر چگونه محاسبه می‌شود؟ 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 می‌شود، هر چه امپدانس مسیر بیشتر باشد، افت ولتاژ دو سر مسیر بیشتر می‌شود. همچنین با توجه به امپدانسی که وجود دارد، جریان الکتریکی گذرنده از آن مسیر محدود می‌شود. 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 می‌آید 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 می‌شود.

امپدانس مسیر تغذیه باید در حد چند اهم باشد (مثلاً زیر 2 اهم). زیرا جریان الکتریکی المان های مدار را تأمین می‌کند. و این جریان بیشتر از جریان سایر مسیرهای روی PCB است. اگر امپدانس مسیر تغذیه زیاد باشد، جریانی که از آن عبور می‌کند باعث افت ولتاژ در مسیر تغذیه می‌شود. مقدار این این افت ولتاژ از رابطۀ V=IR (قانون اهم) به دست می‌آید. 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 می‌افتد برابر 3 ولت است. اگر تغذیۀ ما مثلاً 12 ولت باشد، به موتور تنها 9 ولت می‌رسد.

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 می‌شود. زیرا امپدانس بالای مسیر تغذیۀ آن باعث افت ولتاژ می‌شود.

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 می‌شود. بنابراین باید این مسیرها به اندازۀ کافی پهن باشند.پهنای مسیر خود یکی از پارامترهای مؤثر در امپدانس مسیر است.

برای محاسبۀ پهنای مسیر و امپدانس آن باید مقدار جریان و ضخامت مسیر را وارد کنیم. می‌توانیم 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 می‌شود.

محاسبۀ پهنا و امپدانس مسیر