Droga upływu

Droga upływu to najkrótsza ścieżka pomiędzy dwoma przewodzącymi elementami wzdłuż powierzchni izolacji. Odpowiednia droga upływu stanowi ochronę przed prądami upływowymi – zjawiskiem, które powoduje powstanie częściowo przewodzącej ścieżki w lokalnym defekcie na powierzchni materiału izolującego pod wpływem wyładowań elektrycznych na tej powierzchni lub w jej pobliżu.

Częstość występowania upływów zależy od współczynnika upływności (CTI) materiału i stopnia zanieczyszczenia środowiska. Używany do charakteryzacji izolatorów elektrycznych, współczynnik CTI określa wartość liczbową napięcia, które spowoduje błąd z powodu upływności podczas standardowego testu. Norma IEC 112 zawiera pełniejsze objaśnienie upływności oraz CTI.

Upływność uszkadzająca izolator zazwyczaj występuje z powodu jednej z następujących przyczyn: występowaniem wilgoci w atmosferze, obecności zanieczyszczeń, żrących chemikaliów i wysokości, na której urządzenie pracuje.

W miarę, jak rośnie poziom napięcia izolacji, bardziej istotne staje się wykorzystanie odpowiedniej struktury PCB, która nie tylko redukuje interferencje elektromagnetyczne, ale też zmniejsza problemy wynikające z drogi upływu. Poza umieszczaniem szerokiej izolacji, metody takie, jak stosowanie rowków mogą pomóc uzyskać pożądaną drogę upływu (rysunek 10)

Rys. 10. Nacinanie rowków zwiększa efektywną drogę upływu

Dla rowka (powyżej 1 mm szerokości), jedynym wymaganiem na głębokość jest takie, że dotychczasowa droga upływu i podwojona głębokość rowka musi być równa lub większa od wymaganej drogi upływu. Rowek nie może osłabiać podłoża w takim stopniu, aby przestało ono spełniać wymagania testu mechanicznego.

Ponadto, na wszystkich warstwach należy utrzymywać przestrzeń pod izolatorem wolną od ścieżek, przelotek i pól montażowych, by utrzymać maksymalną drogę upływu.

Linie transmisyjne o kontrolowanej impedancji

Linia transmisyjne o kontrolowanej impedancji to ścieżka, której impedancja charakterystyczna Z0 jest ściśle kontrolowana przez jej geometrię W ogólności, impedancja tych ścieżek odpowiada impedancji medium transmisyjnego, na przykład kabli i terminatorów, by zminimalizować odbicia. W pobliżu izolatorów cyfrowych, ścieżki o kontrolowanej impedancji muszą być dopasowane do impedancji wyjściowej Z0 ~ R0, co jest określane mianem dopasowania impedancyjnego źródła.

Rys. 11. Dopasowanie impedancyjne źródła: Z0 ~ R0

Aby określić Z0, musi zostać wyznaczona dynamiczna impedancja wyjściowa izolatora, R0 = ∆ Vwy / ∆ Iwy. W tym celu charakterystyka wyjściowa z rysunku 12 (zaczerpniętego z karty katalogowej ISO7240), jest przybliżana dwoma odcinkami liniowymi wskazującymi, że r0 ~ 260  Ω przy niskich napięciach, natomiast w większej części krzywej (a zatem w obszarze przejściowym wyjścia), r0 ~ 70 Ω.

Rys. 12. Charakterystyka wyjściowa izolatora

Wymagane wymiary ścieżki, takie jak grubość (t) i szerokość (w), dystans pomiędzy ścieżką a przystającą warstwą uziemiającą (d) i przenikalność względna PCB (εr) są częściowo podyktowane możliwościami powlekania płytki miedzią i procesem produkcji, a także dielektrykiem wybranym do stworzenia płytki. Typową wartość stanowi 1 lub 2 uncje warstwy miedzi, dająca w rezultacie grubość odpowiednio t = 1,37 mila i t = 2,37 mila (1 mil = 0,001 cala). Przenikalności względne szkła epoksydowego FR-4 wahają się pomiędzy εr = 2,8 do 4,5 dla linii mikropaskowej i εr = 4,5 dla obszaru ścieżek.

Mając dane t i εr, projektant posiada swobodę określenia Z0 poprzez dobór szerokości ścieżki w i odległości d. Dla projektów PCB najbardziej istotne nie są jednak wartości absolutne w i d, lecz ich stosunek w/d. By ułatwić zadanie inżynierowi, na rysunku 13 została wykreślona impedancja charakterystyczna ścieżki w funkcji szerokości do wysokości (w/h) dla grubości ścieżki 2,74 mil (2 uncje miedzi), przenikalności względnej FR-4 równej 4,5 i odległości ścieżki od podłoża 10 mili.

Rys. 13. Impedancja charakterystyczna w funkcji stosunku w/h

Z wykresu umieszczonym na rysunku 13 widać, że uzyskanie 70 Ω wymaga stosunku w/h około 0,8. Jak opisano w następnym rozdziale, Warstwy odniesienia, projektowanie płytki o niskim EMI wymaga przerwania sprzężenia elektrycznego pomiędzy ścieżką sygnału a warstwą uziemienia, co można uzyskać zapewniając h = 10 mili. Opowiadająca temu szerokość ścieżki jest zatem równa 8 mili. Szerokość musi zostać zachowana wzdłuż całej długości ścieżki. W przeciwnym razie zmiany szerokości ścieżki spowodują powstanie nieciągłości w impedancji charakterystycznej, prowadząc do zwiększonych odbić i EMI.

Poniższy przykład projektu jest tylko jednym z wielu możliwości otrzymania pożądanej Z0. Różne grubości ścieżek spowodowane podwyższeniem lub obniżeniem warstwy miedzi, lub inny materiał PCB może zostać użyty, jednak wymaga to zmiany stosunku w/d. Dość skomplikowane zależności matematyczne pozwalające obliczyć impedancję charakterystyczną Z0 na podstawie grubości ścieżki, szerokości i przenikalności względnej zostały zaprezentowane w tabeli 2.