PCB

PCB 제어 임피던스 계산기

표면 마이크로스트립, 임베디드 마이크로스트립 및 스트립라인 PCB 트레이스의 특성 임피던스 계산

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공식

Surface: Z₀ = (87/√(εr+1.41)) × ln(5.98h/(0.8W+t))

참고: IPC-2141 Controlled Impedance Circuit Boards

Z₀— 특성 임피던스 (Ω)

εr— 유전 상수

W— 트레이스 너비 (m)

h— 기판 높이 (m)

t— 구리 두께 (m)

작동 방식

제어 임피던스 계산기는 RF 프론트엔드, 고속 디지털 인터페이스 및 신호 무결성 검증에 필수적인 목표 특성 임피던스 (50/75/100ohm) 에 대한 PCB 트레이스 폭을 계산합니다.하드웨어 엔지니어와 PCB 설계자는 이를 사용하여 임피던스 불일치가 10% 를 초과할 때 아이 다이어그램의 성능을 15-40% 저하시키는 신호 반사를 방지할 수 있습니다.

IPC-2141A 및 Johnson/Graham의 '고속 디지털 설계'에 따르면 트레이스 임피던스는 형상 (폭 W, 기준 평면 위의 높이 H) 과 유전상수 (Er) 에 따라 달라집니다.함머스타드-젠슨 방정식은 0.1~10 사이의 W/H 비율에서 3D EM 시뮬레이션과 비교하여 1~ 2% 의 정확도를 달성합니다.표면 마이크로스트립의 경우 표준 FR4에서 Z0은 트레이스 폭이 0.1mm 감소할 때마다 최대 6옴 증가합니다.

FR4의 Er은 1MHz에서 4.6에서 5GHz에서 4.2까지 다양합니다 (조르드제비치-사카르 분산 모델).이 9% 의 변화는 계산된 임피던스를 4~ 5% 변화시킵니다. 따라서 2GHz 이상의 설계에서는 Rogers RO4350B (Er = 3.48 +/- 0.05, 10GHz까지 안정적) 을 사용하는 것이 좋습니다.표준 팹 허용 오차는 +/ -10% 이며, 고급 RF 팹은 +/ -5% 를 달성합니다.

트레이스 길이가 lambda/10을 초과하는 주파수에서는 임피던스 불일치로 인해 반사가 발생합니다.75옴 부하를 구동하는 50옴 트레이스는 20% 의 반사 계수를 생성합니다 (VSWR 1. 5:1, 반사 손실 14dB).Pozar의 '마이크로파 엔지니어링'에 따르면, 이로 인해 전력 전달 효율이 4% 감소하고 정재파가 생성되어 인접 트레이스에서 누화가 3-6dB 증가합니다.

계산 예제

문제: JLC 4레이어 FR4의 2.4GHz WiFi PA용 50옴 마이크로스트립을 설계하십시오 (총 1.6mm, L2 접지에 0.1mm 프리프레그, 1oz 구리).

IPC-2141A 관련 솔루션: 1.파라미터: H = 0.1mm (프리프레그), T = 35um (1oz), Er = 4.3 (2.4GHz 기준) 2.50옴의 목표 W/H 비율: FR4의 경우 약 1.9 3.계산된 트레이스 너비: W = 0.19mm x H = 0.19mm (7.5밀) 4.유효 Er: 3.4 (미량 상향 공기 중 일부 필드) 5.전파 지연: 6.14ps/mm (스트립라인의 경우 7.1ps/mm)

검증: JLC는 +/ -10% 의 허용 오차를 견적합니다.+10% (55옴) 에서 VSWR = 1. 10:1, 반사 손실 = 26dB로 대부분의 RF 애플리케이션에 적합합니다.팹 노트: 'L1 마이크로스트립 W=0.19mm, Z0=50옴 +/ -10% (IPC-2141A 기준). '

실용적인 팁

✓설계 전 팹 적층 확인: JLC, PCBWay, OshPark는 정확한 Er 및 레이어 두께를 제공합니다.일반적인 FR4 가정에서는 5-10% 의 임피던스 오류가 발생합니다.
✓TDR 임피던스 쿠폰을 Gerber 패키지에 추가하십시오. 이 쿠폰이 없으면 팹은 규정 준수를 확인할 수 없으며 IPC-TM-650 2.5.5.7에 따라 오류를 추적할 수 없습니다.
✓IPC-2141A 섹션 4.2.6에 따라 크로스토크를 -40dB 미만으로 유지하려면 제어된 임피던스 트레이스 간에 3W 규칙 (간격 = 3x 트레이스 너비) 을 사용하십시오.

흔한 실수

✗GHz 주파수에서 1MHz Er 값 (4.6) 을 사용하면 8-12% 의 임피던스 오류가 발생합니다.조르제비치-사카르 모델에서는 항상 주파수 보정된 Er: 1GHz에서 4.4, 5GHz에서 4.2를 사용하십시오.
✗구리 두께 효과 무시 — IPC-2141A 표 4-1에 따라 구리가 0.5oz에서 2oz로 이동하면 유효 폭 증가로 인해 임피던스가 3-5옴 이동합니다.
✗분할된 접지면에 제어된 임피던스 트레이스를 라우팅합니다. 불연속성은 임피던스를 15-30% 증가시키고 반사 손실은 6-10dB 감소합니다 (Johnson/Graham Ch. 8).

자주 묻는 질문

제어 임피던스란 무엇입니까?

제어된 임피던스는 PCB 트레이스가 특정 특성 임피던스를 갖도록 합니다 (일반적으로 RF의 경우 50옴, USB/PCIe의 경우 100옴 차동).IPC-2141A 기준, 트레이스 길이가 람다/10 — FR4의 1GHz에서 약 15mm를 초과할 때 신호 반사가 방지됩니다.임피던스가 제어되지 않으면 고속 인터페이스에서 아이 다이어그램 성능이 15-40% 저하됩니다.

50옴이 일반적인 임피던스 목표인 이유는 무엇입니까?

50옴은 Pozar의 유도당 전력 처리 (최대 30옴) 와 최소 손실 (77옴) 의 균형을 유지합니다.표준 RF 커넥터 (SMA, N형) 및 테스트 장비와 일치합니다.동축 케이블의 경우 50ohm은 최대 전력 용량의 86% 를 제공하는 동시에 최소 감쇠의 93% 를 달성합니다. 이는 MIL-STD 및 IEEE 표준에서 채택한 최적의 엔지니어링 절충안입니다.

기판 재료는 임피던스에 어떤 영향을 미칩니까?

유전 상수 (Er) 는 임피던스를 직접 설정합니다. Z0은 1/sqrt (eR_eFF) 에 비례합니다.FR4 (Er=4.3) 에는 50옴에 대해 0.19mm의 트레이스 너비가 필요하고 로저스 RO4350B (Er=3.48) 에는 0.24mm가 필요합니다.로저스 소재는 FR4의 +/ -8% 변동률에 비해 Er을 +/ -1.5% ~ 10GHz 이내로 유지하기 때문에 IPC-4101 기준에 따라 2GHz 이상의 애플리케이션에 사용하도록 지정되었습니다.

주파수에 따라 임피던스가 변할 수 있습니까?

예 — FR4 (조르드제비치-사카르 모델) 에서 Er은 1MHz에서 5GHz로 9% 감소하여 임피던스를 4-5% 변경합니다.또한 스킨 효과는 도체 손실을 1GHz에서 0.1dB/cm에서 5GHz에서 0.5dB/cm로 증가시켜 손실 탄젠트에 의해 임피던스를 효과적으로 높입니다.500MHz 이상의 설계에는 주파수 보정 계산을 사용하십시오.

PCB 임피던스를 계산하는 데 도움이 되는 도구는 무엇입니까?

이 계산기는 해머스타드-젠슨 방정식 (IEEE MTT-S 검증당 정확도 1~ 2%) 을 사용합니다.복잡한 형상 (전이, 굽힘, 결합선을 통한) 의 경우 Polar SI9000, HyperLynx와 같은 2.5D 필드 솔버 또는 AppCad와 같은 무료 도구를 사용하십시오. IPC-2141A 부록 A에 따른 +/ -3% 허용오차 설계에는 3D EM 시뮬레이션 (CST, HFSS) 이 필요합니다.

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