PCB 90度角

电器工程 电路板
2022-01-13 00:56:57

没有一个几乎没有考虑到支持或反对使用 90 度路线的技术原因。

作为一个在秋季注册 EE 项目的爱好者,我是否应该养成在 PCB 布局中避免直角的习惯?这始终是最佳实践还是只有 RF 或高速场景需要的东西?

除了机械或美学原因之外,还有什么理由要使用 90 度角?

4个回答

编辑: 我忘记了 90 度角不好的一种情况:高压 PCB。这与反射或辐射无关,而是任何类型的尖锐形状将如何集中高电场并更有可能导致电介质击穿和电弧。这可以用于 PCB 火花间隙,但除此之外,应该避免高压 PCB 上的直角,1kV+。任何东西都应该使用圆形焊盘,甚至是 SMD 电阻/电容焊盘。尽可能避免尖锐的铜形状。

不,没有理由更喜欢 45 角而不是直角。我会明确地说:其他声称直角会导致更多 EMI 的答案显然是错误的。这不是某种可以争论的理论上的未知数。我们可以测量从各种走线形状辐射的 EMI,我们有,而直角没有辐射超过45度角。提出尽可能多的理论原因说明直角对 EMI 不利,但它们并不重要。这种情况的简单经验现实是他们没有,他们“应该”做的事情不会改变这一点。事实上,即使在非常高的频率下也是如此,我将在这篇文章中进一步讨论。如果我错了,请务必向我展示证明 90 度角更差的测量值。或者更好的是,如果存在可测量的差异,那么肯定可以直接构建一个仪表,该仪表可以通过对输入和输出进行测量来完全确定迹线是否具有直角或 45 度角。或者拿起EMI。如果有人能建造一个仪表来做到这一点,我会信守诺言。

我很确定没有人会,因为在甚至允许 45(或 90)度角的频率下,EMI 或反射没有任何可测量的差异。

应用笔记

当然还有其他无意义的理由。在任何人甚至使用 45 度角走线之前,蚀刻和直角只是一个问题,而是使用 ruby​​lith 手工制作电路板。流程得到了足够的改进,以至于至少 3 年来这些问题都没有引起人们的关注。如果有任何与蚀刻相关的问题,您最好告诉所有具有 0.5 或 0.4mm 间距 QFN 方形焊盘的电路板他们不能继续使用这些部件,因为显然我们的 PCB 蚀刻工艺会完全破坏这些焊盘的形状。至少,如果一个人要相信这个线程中的其他一些答案。当然,蚀刻论点显然也是无稽之谈,您需要查看所有一直蚀刻的具有完美尖角的微小方形焊盘才能理解这是无稽之谈。

困扰我的是,没有人问我们应该问的一个问题: 为什么使用 45 度轨迹?

答案有点反气候:传统。至少,在没有正当合理理由的情况下使用它。您可以使用 45 度角在同一空间中布线更多走线,这仅仅是因为角落占用了更多空间(2 的平方根等等)。因此,在许多路由情况下使用它们是完全有效的。但是没有理由优先使用它们而不是直角,所以你应该养成使用任何似乎是该非常特定轨迹的最佳解决方案的习惯。如果您想擅长布线板,确保这种情况永远不会发生的一个好方法是对自己强制执行任意设计规则,这些规则不会带来任何好处。它只是无缘无故地选择限制您的路由策略。

人们可能会怀疑我的传统论点,但我带着确凿的证据来了。我有很多从 60 年代到现在的电路板,很明显,45 度角走线只不过是 EDA 软件进入现场并施加任意限制(8 种可能的布线角度...... . 计算机在当时甚至连简单的矢量图形都很难做,这让事情变得更容易了)。

首先,这是一个用于旧 HP 合成器的频率滤波器的板。这产生了大量的射频频率并使用了无数阶滤波器,其中 24 个都承载了 10MHz 的一些倍数。请注意,这是一件 HP 测试设备,这是最先进的。它是在 70 年代制作的,那时电路板仍然是手工制作的。这个时代的电路板,即使是射频电路板,也从未使用过 45 度角,因为它们的使用是由于当时尚不存在的软件造成的人为限制。

直角!

让我们把它翻过来...

在此处输入图像描述

但是那些也有很多东西是圆形的……这可能是因为它们被手工切割的红宝石掩盖了。让我们前进到 1983 年,当时 EDA 软件被大量使用。突然间,所有的曲线和角度都消失了,只使用了8个方向。这完全是因为那个时期的工具,这里没有设计选择。没有人选择只使用 8 个方向,他们在那些早期的 EDA 工具中只有 8 个方向可供选择。以下是1983年的西部数据磁盘控制器。

在此处输入图像描述

哦,我的……就好像他们不关心直角或 45 度的轨迹角。(提示:他们没有。)他们疯狂地使用两者!

在此处输入图像描述

更多特写...

在此处输入图像描述

正如您所看到的,使用 45 度转弯时,似乎唯一真正的相关性是在需要更高的布线密度时,更频繁地使用 45 度转弯(尽管并非总是如此)。这是唯一真正影响转弯选择的问题。否则,使用任何你喜欢的东西。显然,这位设计师并不特别喜欢他们中的任何一个。他可能曾经用胶带将电路板制作出来,但已经开始使用 EDA 工具。他之前没有在他的轨迹上使用 90 度角或 45 度角,并且在他或她设计这个时没有偏好。

如果您使用的是 FR4,那么直角无关紧要。原因很简单,如果您可以容忍信号上由 FR4 引起的介电损耗,那么对于直角来说,它还不够快。 即使是 2.4GHz Wifi 的波长也只有 5 英寸左右。 当然,它不会受到小于其自身波长的特征数量级的有意义的影响,例如形状轨迹角。2 个 45 度转弯或 1 个 90 度转弯在整体效果上几乎相同。

而且,在频率影响的情况下,形状甚至不是重要因素。阻抗是。您必须保持特性阻抗,以使信号在沿途任何给定步骤看到的瞬时阻抗始终相同。引起反射和辐射的是不连续性。保持阻抗的简单方法是简单地使用曲线,但它们的曲率半径必须至少是走线宽度的 3 倍。这是为了将走线宽度保持在几乎恒定的值,从而保持阻抗。这是决定形状的因素,但任何保持阻抗的策略都是有效的。

最后一张照片,旧泰克示波器的内部:在此处输入图像描述

如果您需要更紧凑地转角迹线,那么使用 90 度或两个 45 度角都是不正确的。当走线宽度在 90 度角处增加 \$\sqrt{2}\$ 时,90 度角会导致阻抗不连续,从而导致阻抗突然下降。这确实会引起反射和辐射。

如果你使用 45 度角,你会导致不只是一个,而是两个不连续,虽然单独它们没有那么严重(每个 45 度角将轨迹加宽 \$\sqrt{4-\sqrt{2}} \$),大约 1.08 的差异仍然是一个显着的阻抗变化,并导致反射和辐​​射。只是,它发生了两次,所以你会多次得到相移反射和辐射。在据说使它们“更好”的问题上,45度角充其量并不比直角好。简单的事实是没有实际的原因,它们之间基本上没有区别。

那么,当转弯策略实际上很重要时,您如何正确地转弯?任何你想要的方式,只要你保持你的阻抗。这在 90 或 45 度弯曲时是不可能的。您可以以任何您希望的方式保持阻抗,虽然通过增加阻抗来平衡由 45 或 90 度转弯引起的额外宽度(和阻抗损失)是很困难的,但通过降低阻抗来平衡增加的阻抗是很容易的缩小迹线。

让我们稍等片刻,检查整个走线宽度与阻抗的关系。为什么走线宽度对阻抗有如此显着的影响?当然,这不是已经很小的直流电阻的微小变化。

是电容!这些走线形成一个电容器板,其下方是信号返回平面。因此,一旦您使用直角或 45 度走线添加了额外的区域,您就无能为力了,额外的电容就在那里。但是,如果您取一个 90 度角并切掉一侧的部分角,并根据您的 pcb 基板的介电常数以及信号迹线和返回平面之间的厚度,您可以准确计算出多少您需要切断以保持整体电容。

结果有点讽刺的是45度和90度弯曲的并置:在此处输入图像描述

从根本上说,它是一个 90 度角,其中一部分被切掉(斜接)以保持电容,从而保持阻抗。如果考虑阻抗,锐角没有任何问题。曲线更容易,所以我更喜欢它们,因为我很懒。有时它们会占用太多空间。

无论您转角 90 度还是 45 度都无关紧要。如果您愿意,您可以按照拓扑方式进行布线而不遵循任何方向。这一切都始于一个软件怪癖,它已经演变成传统,甚至显然是迷信。我向你保证,任何声称这在某种程度上很重要的工程师都不会用硬数据来支持这一点,如果被迫这样做,也将无法做到。很容易找到证明它无关紧要的证据,因为它并不重要。这就是为什么我只是拍了一些照片来证明我的观点。在高端情况下,它确实很重要,任何关于一个角落的经验法则无论如何都是完全没有价值的,因为两者都是错误的。

如果可以使用 45 度迹线,则可以使用 90 度迹线而不会产生明显影响。使用您喜欢或适合特定迹线密度的哪个。工程师们从来没有关心过,也没有理由你应该关心。不要让不受支持的答案(不幸的是,尽管是虚假信息,但还是被赞成)吸引你。用数据验证你被告知的经验法则。传统和信仰在良好的工程中没有地位。

我将在这里违背常规,建议您阅读 Lee W. Ritchey 的“Right the first time” 。http://www.thehighspeeddesignbook.com/

特别感兴趣的是第 25 章,作者竭尽全力指出:

因此,一直以来,工程师一直在根据有缺陷的数据阻止使用直角弯曲。(注:摩托罗拉 ECL 系统手册以 PDF 格式从 On Semiconductor 获得,网址为 www.onsemi.com。)"

作者继续说:“直角弯曲不会在任何实际边缘速度下引起信号完整性问题。直角弯曲也不会引起 EMI。直角弯曲不是酸陷阱。没有好的技术理由阻止使用直角弯曲以在 PCB 中布线。”

因此,根据该建议,从纯粹的电气角度来看,没有理由避免 90 度弯曲。是否有机械方面的考虑,例如在较高温度下抬升的痕迹等是另一回事。

就我个人而言,我尽量保持走线尽可能短,这通常意味着尽可能直线(无弯曲)。如果需要,我不会因为添加 90 度弯曲而失眠:将所有东西保持在 45(或 135)度会在更紧凑的设计中占用大量 PCB“空间”。

好吧,一般来说,走线越短,损失越少,效果越好。直角使走线更长,因此通常是不希望的。尽管对于大多数爱好者类型的电路来说只有微小的差异。如果你正在试验电阻、电容、555 和 2N2222,如果你必须使用直角,那就去做,但不要养成习惯。正如 JRE 所说,它们也很难正确蚀刻。

事情在高频下变得有趣 - 超过 100MHz 左右。随着信号频率的增加,各种物理效应(物理)开始显现并影响信号,因为它在 PCB 上传播(传播)。由于频率如此之快,波长非常短,这意味着 PCB 走线可以开始看起来大到足以成为天线并向自由空间辐射功率。在更高的频率下,大面积的铜表现为电容,尖角表现为电阻(技术上 - 阻抗),轨道中的间隙表现为滤波器,甚至 PCB 材料本身也会影响事物 - 称为介电常数。这种(有意的)设计非常专业和复杂。通常,大多数电子设计通过使用较低频率、缩短 PCB 走线等来避免这些影响。

EMI 是电磁干扰,这意味着无意的射频信号的产生或感应。EMC(电磁兼容性)是测试 PCB 的有害辐射(和敏感性)的交易。EMC 的职业生涯源于对物理学、射频理论和电子学的深刻理解。

你应该总是避免它。您可能还记得避雷针有一个锋利的末端。原因是电场集中在那里,使其比其他表面对闪电“更具吸引力”。

同样,90度角的锐边不好,那里会产生更多的干扰,PCB线的阻抗不连续性更差等等。

无论如何,避免它们。