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高频开关电源PCB技术在高速设计中的特性阻抗问题解决办法

高频开关电源PCB高速设计中,可控阻抗板和线路的高频开关电源PCB特性阻抗问题困扰着许多我国工程师。本文通过简略而且直观的办法介绍了高频开关电源PCB特性阻抗的根本性质、核算和丈量办法。 


在高频开关电源PCB高速设计中,可控阻抗板和线路的高频开关电源PCB特性阻抗是最重要和最遍及的问题之一。首要了解一下传输线的定义:传输线由两个具有必定长度的导体组成,一个导体用来发送信号,另一个用来接纳信号(牢记“回路”替代“地”的概念)。在一个多层板中,每一条线路都是传输线的组成部分,邻近的参阅平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“功能杰出”传输线的关键是使它的高频开关电源PCB特性阻抗在整个线路中坚持安稳。 

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线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的高频开关电源PCB特性阻抗满意一个规定值,通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中,传输线功能杰出的关键是使它的高频开关电源PCB特性阻抗在整条线路中坚持安稳。 


可是,终究什么是高频开关电源PCB特性阻抗?了解高频开关电源PCB特性阻抗最简略的办法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有相同横截面传输线移动时,这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中,如把1伏特的电池衔接到传输线的前端(它坐落发送线路和回路之间),一旦衔接,这个电压波信号沿着该线以光速传达,它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然,这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差,它能够从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。 


Zen的办法是先“发生信号”,然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传达。第一个0.01纳秒行进了0.06英寸,这时发送线路有剩余的正电荷,而回路有剩余的负电荷,正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差,而这两个导体又组成了一个电容器。


鄙人一个0.01纳秒中,又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特,这有必要加一些正电荷到发送线路,而加一些负电荷到接纳线路。每移动0.06英寸,有必要把更多的正电荷加到发送线路,而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒,有必要对传输线路的别的一段进行充电,然后信号开始沿着这一段传达。电荷来自传输线前端的电池,当沿着这条线移动时,就给传输线的连续部分充电,因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每行进0.01纳秒,就从电池中取得一些电荷(±Q),安稳的时刻距离(±t)内从电池中流出的安稳电量(±Q)就是一种安稳电流。流入回路的负电流实践上与流出的正电流持平,而且正好在信号波的前端,交流电流转过上、下线路组成的电容,结束整个循环进程。


线路的阻抗


对电池来说,当信号沿着传输线传达,而且每隔0.01纳秒对连续0.06英寸传输线段进行充电。从电源取得安稳的电流时,传输线看起来像一个阻抗器,而且它的阻抗值安稳,这可称为传输线路的“浪涌”阻抗(surge impedance)。 


相同地,当信号沿着线路传达时,鄙人一步之前,0.01纳秒之内,哪一种电流能把这一步的电压提高到1伏特?这就涉及到瞬时阻抗的概念。 


从电池的视点看时,如果信号以一种安稳的速度沿着传输线传达,而且传输线具有相同的横截面,那么在0.01纳秒中每行进一步需求相同的电荷量,以发生相同的信号电压。当沿着这条线行进时,会发生相同的瞬时阻抗,这被视为传输线的一种特性,被称为高频开关电源PCB特性阻抗。如果信号在传递进程的每一步的高频开关电源PCB特性阻抗相同,那么该传输线可认为是可控阻抗传输线。 


瞬时阻抗或高频开关电源PCB特性阻抗,对信号传递质量而言非常重要。在传递进程中,如果下一步的阻抗和上一步的阻抗持平,作业可顺利进行,但若阻抗发生变化,那会呈现一些问题。 


为了到达最佳信号质量,内部衔接的设计方针是在信号传递进程中尽量坚持阻抗安稳,首要有必要坚持传输线高频开关电源PCB特性阻抗的安稳,因而,可控阻抗板的生产变得越来越重要。别的,其它的办法如余线长度最短化、结尾去除和整线运用,也用来坚持信号传递中瞬时阻抗的安稳。 


高频开关电源PCB特性阻抗的核算 


简略的高频开关电源PCB特性阻抗模型:Z=V/I,Z代表信号传递进程中每一步的阻抗,V代表信号进入传输线时的电压,I代表电流。I=±Q/±t,Q代表电量,t代表每一步的时刻。 


电量(来源于电池):±Q=±C×V,C代表电容,V代表电压。电容能够用传输线单位长度容量CL和信号传递速度v来推导。单位引脚的长度值当作速度,再乘以每步所需时刻t,则得到公式:±C=CL×v×(±)t.归纳以上各项,我们能够得出高频开关电源PCB特性阻抗:Z=V/I=V/(±Q/±t)=V/(±C×V/±t)=V/(CL×v×(±)t×V/±t)=1/(CL×v) 


能够看出,高频开关电源PCB特性阻抗跟传输线单位长度容量和信号传递速度有关。为了差异高频开关电源PCB特性阻抗和实践阻抗Z,我们在Z后边加上0.传输线高频开关电源PCB特性阻抗为:Z0=1/(CL×v) 


如果传输线单位长度容量和信号传递速度坚持不变,那么传输线高频开关电源PCB特性阻抗也坚持不变。这个简略的阐明能将电容知识和新发现的高频开关电源PCB特性阻抗理论联络在一起。如果添加传输线单位长度容量,例如加粗传输线,可降低传输线高频开关电源PCB特性阻抗。 


高频开关电源PCB特性阻抗的丈量 


当电池和传输线衔接时(假如其时阻抗为50欧姆),将欧姆表衔接在3英尺长的RG58光缆上,这时怎么测无量阻抗呢?任何传输线的阻抗都和时刻有关。如果你在比光缆反射更短的时刻里丈量光缆的阻抗,你丈量到的是“浪涌”阻抗,或高频开关电源PCB特性阻抗。可是如果等候满足长的时刻直到能量反射回来并接纳后,经丈量可发现阻抗有变化。一般来说,阻抗值上下反弹后会到达一个安稳的极限值。 


关于3英尺长的光缆,有必要在3纳秒内完结阻抗的丈量。TDR(时刻域反射仪)能做到这一点,它能够丈量传输线的动态阻抗。如果在1秒钟内丈量3英尺光缆的阻抗,信号会来回反射数百万次,因而会得到不同的“浪涌”阻抗。 

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