دليل Saturn PCB Toolkit: المعاوقة، عرض المسار، وارتفاع الحرارة

تُعد مجموعة أدوات Saturn لتصميم الدوائر المطبوعة (Saturn PCB Design Toolkit) أداة مجانية موثوقة لمهندسي الـPCB.
يمكنك استخدامها بسرعة وبدون اتصال بالإنترنت للعثور على عرض المسار لتيار 10A، والتحقق من معاوقة زوج تفاضلي 90Ω، أو تقدير تيار الفيا (Via).

يشرح هذا الدليل كيفية استخدام Saturn في العمل اليومي، وكيفية إصلاح أخطاء الإدخال الشائعة، وكيف تُطابق النتائج مع أدوات مثل Altium أو Polar.

لماذا يستخدم المهندسون Saturn PCB Toolkit؟

عندما يبحث الناس عن “Saturn PCB” فهم يريدون حاسبة عملية. الأهداف المعتادة:

• حساب المعاوقة المضبوطة (Microstrip، Stripline، الأزواج التفاضلية).
• إيجاد العلاقة بين عرض المسار/التيار/ارتفاع الحرارة وفق معيار IPC-2152.
• التحقق من فقد القدرة أو هبوط الجهد على مسار نحاسي.
• فهم سبب اختلاف نتائج Altium وSaturn في حساب المعاوقة.

الأداة تحتوي على حاسبات للمعاوقة، ومقاومة النحاس، وتيار الفيا، وارتفاع الحرارة… في برنامج ويندوز صغير واحد.

قبل البدء: جودة الإدخال هي الأهم

تعتمد دقة النتائج على إعدادك للبيانات.
أغلب الأخطاء تأتي من سماكات طبقات غير صحيحة، أو عدم احتساب الطلاء النحاسي، أو اختيار نموذج حساب غير مناسب.

أ) استخدم الرصّة بعد الكبس (Pressed Stackup)

احصل من المصنع على سماكات العوازل بعد الكبس وسماكة النحاس النهائية.
في Saturn تعني H1 و H2 المسافة من طبقة الإشارة إلى مرجعها العلوي والسفلي بعد الكبس.
لا تُدخل سماكات الـPrepreg الخام.
اختلاط H1/H2 هو السبب الأول لاختلاف النتائج عن Altium أو Polar.

ب) سماكة النحاس

تأكّد من أن السماكة تشمل النحاس الأساسي + الطلاء في الطبقات الخارجية.
في الأزواج التفاضلية استخدم السماكة نفسها للخطّين.
مثال: 1oz ≈ 35µm مع طلاء 25µm ⇒ المجموع ≈ 60µm.

ج) اختيار نموذج الحساب

يوفر Saturn أكثر من نموذج رياضي:

حساب المعاوقة (Microstrip/Stripline/زوج تفاضلي)

أ) 50Ω Microstrip (طبقة خارجية)

1. افتح Microstrip Impedance Calculator.
2. أدخل H و T و Er ووجود قناع اللحام إن وُجد.
3. اختر Target Impedance = 50Ω ثم Solve for Width.
4. سجّل عرض الخط W.
   أضف في ملاحظات التحكم بالمعاوقة: الطبقة: أعلى، المرجع: أرضي، Z₀=50Ω ±10%، الاختبار @ 1GHz.

ب) 90Ω زوج تفاضلي

1. افتح Differential Pair Calculator.
2. أدخل W و S و H و T و Er.
3. لاحظ: تقليل S يزيد الاقتران ويُخفض Zdiff.
4. عدّل W و S معًا للوصول إلى 90Ω (USB 2.0) أو 100Ω (Ethernet).

ج) Stripline غير متناظر (Asymmetric)

1. اختر Asymmetric Stripline.
2. أدخل H1 و H2 بعناية (عازل أعلى وأسفل الإشارة بعد الكبس).
3. قارن نتائج Default/Wadell/IPC-2141.
4. غالبًا يعطي Default نتيجة أقرب لـPolar أو مُحلِّل الحقول عندما H1 ≠ H2.
   إذا بدت المعاوقة ضعف/نصف المتوقع، راجع ترتيب H1/H2 أولًا.

د) المطابقة مع Altium/Polar

استخدم نفس الرصّة وسماكة النحاس وثابت العزل في الأداتين.
فروق 1–2% طبيعية. الفروق الكبيرة تعني تعريفات مختلفة أو تجاهل طلاء النحاس.

عرض المسار، التيار، وارتفاع الحرارة

هذه أكثر شاشة استخدامًا في Saturn، ومناسبة لدوائر القدرة والتيارات العالية.

أ) حساب عرض مسار لتيار مُعين

1. افتح Trace Width / Current / Temperature Rise.
2. أدخل I وسماكة النحاس وΔT المطلوب.
3. اضغط Solve for Width.
   مثال: 10A، طبقة خارجية، 1oz، ΔT=10°C ⇒ العرض المطلوب ≈ 4.5mm (يتأثر بالبيئة).
   رفع ΔT إلى 20°C يُقلل العرض بشكل واضح؛ اختيار ΔT قرار تصميمي مهم.

ب) التحقق من فقد القدرة وهبوط الجهد

استخدم Copper Resistance:
أدخل الطول L والعرض W والسماكة T لتحصل على R.
ثم احسب: P = I²R، و ΔV = IR.
إن رأيت نفس القدرة أو نفس ΔT لتيارات مختلفة، راجع الطول والوحدات.

ج) تيار الفيا والفيا المتوازية

وحدة Via Current تقدّر التيار الآمن لكل فيا.
لتيار أعلى، استخدم عدة فيا على التوازي لتقليل المقاومة والتسخين الموضعي.

لماذا تختلف نتائج المعاوقة بين Altium وSaturn؟

أسباب شائعة:

• عدم تطابق السماكات: Altium يستخدم بيانات Prepreg، بينما Saturn يتوقع سماكات بعد الكبس.
• تجاهل الطلاء النحاسي في الطبقات الخارجية.
• اختلاف النموذج: Altium يميل إلى IPC-2141؛ Saturn قد يستخدم Wadell أو Default.
• تردد قياس Er مختلف.
• قناع اللحام لم يُؤخذ بالحسبان (يُقلل المعاوقة قليلًا).

وحين توحّد هذه الإعدادات، تتقارب الأدوات عادة ضمن 1–2%.

أسئلة متكررة

س1. لماذا المعاوقة في Saturn ضعف المتوقع؟
غالبًا لأن H1/H2 معكوسان أو النموذج غير مناسب للحالة غير المتناظرة. استخدم Default أو صحّح ترتيب الطبقات.

س2. لماذا يظهر نفس ارتفاع الحرارة لتيارات مختلفة؟
ربما تركت L = 0 أو اخترت وحدات خاطئة. افحص R وتأكد من ثبات شروط البيئة.

س3. أي نموذج أستخدم لمسارات التيار العالي؟
استخدم IPC-2152 لأنه يعتمد بيانات حرارية محدثة.

من الحساب إلى التصنيع: ماذا تُسلِّم للمصنع؟

ضمن ملاحظة التحكم بالمعاوقة زوّد المصنع بـ:

• المعاوقة الهدف (مفرد/تفاضلي).
• الهامش (عادة ±10%).
• طبقة المرجع وتردد الاختبار.
• سماكة النحاس النهائية وسماكات العوازل بعد الكبس.
• وجود قناع اللحام (نعم/لا).

اطلب من المصنع التحقق باستخدام Polar أو محلل داخلي.
إذا اختلفت الأرقام، راجعوا بيانات المواد معًا — ليست كل أنواع FR-4 متماثلة.

خلاصة

يبقى Saturn PCB Toolkit مساعدًا بسيطًا وقويًا.
إنه يربط بين التصميم وواقع التصنيع، ويحوّل الحسابات إلى ألواح قابلة للبناء.

بفهم H1/H2 جيدًا، واختيار النموذج الصحيح، والتحقق من المدخلات، ستثق بنتائجك وتتواصل بلغة مشتركة مع مصنع الـPCB.