Fiber weave skew and copper roughness:effects on transmission line performance on PCB

Abstract. Designing manufacturable high performing transmission lines is an essential part of modern electronics design work. This thesis focuses on interconnect design and simulation while also examining how materials and manufacturing affects the designed interconnect. The goal of this work is to find how big and what kind of effects different design and manufacturing variables have and how to be mindful of all the relevant factors during the design phase. Specific focus areas are fiber weave effect and losses caused by copper roughness. In this thesis theory behind transmission lines on PCB is outlined first along with different material properties and relevant material test methods. Effects of different design parameters and material properties are then examined through simulations and literature. Accurate simulation of fiber weave skew with readily available simulation tools is difficult, but fiber weave skew itself can be mitigated with design choices. Copper roughness can be modelled with various models. Multiple different ways to represent copper roughness in the scope of PCB design exist. These various roughness representations are examined extensively through examples. Copper roughness was found to have significant effects on signal integrity and different roughness models were found to perform very differently.Lasipunosajoitusvääristymän ja kuparin karkeuden vaikutukset siirtolinjojen suorituskykyyn piirilevyllä. Tiivistelmä. Modernin elektroniikkasuunnittelun yksi keskeisistä osista on massatuotantokelpoisten korkean suorituskyvyn, siirtolinjojen suunnittelu. Tämä diplomityö keskittyy yhteyssuunnitteluun ja siirtolinjarakenteiden simulointiin piirilevyllä. Valmistusprosessien ja materiaalien vaikutuksia siirtolinjoihin tarkastellaan myös. Työn tavoitteena on selvittää Kuinka paljon ja millaisia vaikutuksia eri suunnittelu- ja materiaalivalinnoilla on sekä miten suunnittelija voi parhaiten ottaa eri seikat huomioon suunnittelun eri vaiheissa. Tarkemmin tarkasteltavat ilmiöt ovat kuparin pinnan karkeuden aiheuttamat häviöt ja piirilevyn eristemateriaalin lasikuitupunosrakenteen aiheuttama ajoitusvääristymä. Teoria piirilevyllä oleville siirtolinjoille on esitelty erilaisten materiaaliominaisuuksien ja materiaalien testausmenetelmien ohella ensin. Teoriaosuuden jälkeen eri suunnitteluparametrien ja materiaaliominaisuuksien vaikutuksia tutkitaan simulaatioiden ja kirjallisuuden pohjalta. Lasipunosajoitusvääristymän simulointi helposti saatavilla olevilla simulointityökaluilla on haasteellista, mutta ilmiön aiheuttamia vaikutuksia on mahdollista pienentää erilaisilla suunnitteluratkaisuilla. Kuparin karkeuden mallintamiseen on tarjolla useita erilaisia simulointimalleja. Lisäksi kuparin karkeus voidaan esittää usealla eri tavalla. Erilaisia kuparin karkeuden esitystapoja piirilevykontekstissa on tarkasteltu kattavasti esimerkkien kautta. Kuparin karkeuden todettiin vaikuttavan signaalien vaimentumiseen merkittävästi ja eri karkeusmallien huomattiin palauttavan huomattavasti toisistaan poikkeavia tuloksia

Akkutesterin toteuttaminen

Tiivistelmä. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa akkutesteri, jolla voidaan tutkia alle viiden voltin akkujen ja patterien suorituskykyä. Akkutesteri suunniteltiin mittaamaan vain kapasiteettia ja lähtöimpedanssia, sillä niitä tutkimalla saadaan melko hyvä käsitys akun kunnosta, eikä kovin monimutkaista mittausjärjestelyä tarvita. Mittausdatan pohjalta laadittiin varaustilan ja lähtöimpedanssin suhdetta havainnollistavia kuvaajia, joissa SOC-käyrä ja lähtöimpedanssi on sovitettu samalle aika-akselille. Laitesuunnittelun lähtökohtana oli, suunnitella Arduino-yhteensopiva piirilevy, joka sisältää akkujen lähtöimpedanssin ja kapasiteetin mittaamiseen tarvittavan elektroniikan ja kirjoittaa Arduinolle laitteen toimintaa ohjaava ohjelma. Akkutesteri suunniteltiin purkamaan akkuja vakiokuormalla. Lähtöimpedanssia mitattiin kaksinkertaistamalla akun kuormitus hetkellisesti 63 minuutin välein. Pienin mahdollinen purkuvastuksen arvo on 10Ω, joka rajoittaa suurimman mahdollisen purkuvirran alle puoleen ampeeriin.Implementation of a battery tester. Abstract. The purpose of this bachelor’s Thesis was to design and implement a battery tester for sub five-volt batteries. Measurement systems for capacity and output impedance were implemented as the said characteristics give a relatively good representation of battery health, yet the needed measurement setup can be kept rather simple. To visualize the results SOC-curve and output impedance were plotted on the same time axis. The basis of designing the device was to design an Arduino compatible circuit board containing electronics needed to measure battery capacity and output impedance and write a program for Arduino that controls the operation of the device. Battery tester was designed to drain batteries with a constant load. Output impedance was measured by doubling battery load momentarily every 63 minutes. The smallest available value for load resistor is 10Ω resulting in drain currents less than half an ampere