单面PCB布线阻抗的工程设计 留言

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。

 

原文始发于微信公众号（看图说RF）：038_单面PCB布线阻抗的工程设计