PCB的电气性能A

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,PCB,的电气性能,Binson,1,Contents,导线电阻,电容和电感,特性阻抗,传输延迟,载流量,绝缘电阻,2,印制导线的相关计算,导线电阻,下面将介绍导线规格和连接线面积之间的关系，以及如何利用连接线电阻与尺寸和温度之间的函数关系。,3,曲线的方程为：规格,= -9.6954 - 19.8578,Log,10,(d),，,其中,d,为导线直径，单位为英寸。,4,因印制板连接线的横截面是长方形而不是圆形。因此，能定义以横截面面积为变量的等式如下：,规格,= 1.08 + 0.10,Log,10,(l/a),其中,a,为横截面面积，单位为平方英寸。,当导线的横截面面积已知时，通过上式可以计算出等效的导线规格。,5,相反地，在导线规格已知时，通过下式可以计算出,连接线的横截面面积：,面积,=,l/(10,(10,规格,- 10.8),),在导线规格表中常会提供相关规格的一些参数值。通过这些参数值可以估计某一长度导线的电阻。而连接线电阻的计算比导线电阻的计算稍微复杂。,6,每种金属都有一个电阻系数(有时也称为特征电阻)，电阻系数、导线长度、横截面面积与电阻之间的关系为：,R=l/a,其中：,R,为电阻，单位为欧姆,l,为导线长度；,a,为横截面面积,电阻系数的单位由欧姆和长度单位来表示。纯铜的电阻系数通常为：,=1.724 (,微欧-厘米)或,=0.6788 (,微欧-厘米)。,7,必须注意，电阻系数随温度变化，通常所给的电阻系数为20时的电阻系数。因此，用该电阻系数计算出的电阻值为20环境温度下的电阻。连接线的电阻随温度而增大，称为“电阻温度系数”的参数可表明这种变化的大小，用下式可计算出该参数对电阻大小的影响：,R2/R1 = 1 + 0.00393(T2-T1),其中,R1,和,T1,分别为基准电阻和基准温度(单位为)；,T2,是新温度；,R2,是在新温度下的电阻。,8,所有这些计算很繁琐。,UltraCAD Design,公司推出了一种免费的计算工具，可以从,UltraCAD,的网站上下载。利用该工具，在给定一条连接线的等效导线规格、厚度或宽度中任意两个参数条件下，可以计算出另一个参数。它还可以在给定长度和温度的情况下计算连接线的电阻，在给定电流时计算连接线上的电压降。,欢迎来电咨询,3,孔老师,QQ,：,930617540,咨询,100,所有课程都可为企业提供内训服务，全年循环开课,9,锡铅层对导线电阻的影响,常用的电路板表面处理工艺是热风整平，即在铜导体表面覆盖一层锡铅合金。,任何导体的电阻都是其电阻系数的函数，分析时可将连接线和焊锡层视为并联导体。假设焊锡层和连接线具有相同的宽度和长度，只需考虑连接线和焊锡层的厚度。,10,铜的电阻系数为,1.724,微欧,-,厘米，而锡的电阻系数为,11.5,微欧,-,厘米，比铜高出,6.7,倍。铅的电阻系数为,22,微欧,-,厘米，比铜约高出,13,倍。因此，根据焊锡中锡和铅的含量比例，焊锡层的电阻系数约比相同厚度的铜连接线高,10,倍。,由于导体之间的分流大小与电阻成反比，在相同厚度的铜线和焊锡层下，约,90%,的电流流过铜线,(,剩余的电流通过焊锡层,),。,因此，通常在非精确测量时可以忽略焊锡层对连接线电阻和压降的影响。,11,电容和电感,电容,普通电容,电容是由两个充成不同的电势电荷的导体组成。在两个不同电势的导体之间存在电场，驱动电流提供能量存储在电场中，因为驱动电流是受限的，所以两个极板之间只是存在很短时间的稳态电流值，很快抵制的电压提高削弱注入电流。,下图描述了理想电流和电压的电容波形曲线。,12,一个电容的阶跃响应描述成一个时间函数，当电压刚刚加压时，大量电流流入电容建立电场，流入电容的初始电流比较高，,Y(t)/I(t),非常低。在很短的时间内电容就像一个短路器。,过一段时间后,Y(t)/I(t),值开始变大，电流逐渐减小直至趋近于零。这时电容像开路。最后当电容的电场完全建立之后，只存在一小部分由于电容之中的介质绝缘不好而形成的漏电流，,Y(t)/I(t),非常高。,13,印制电路板基材与两面的印制导线，可看作一个电容器，其电容可用平板电容器的计算公式来粗略地计算。,A,C=0.886,-(pF),b,式中,：,A,两面导线重叠的面积（,mm,2,）,b,层压板电介质厚度（,mm）,层压板的相对介电常数,同一平面上相邻导线之间的分布电容的计算是相当复杂的。,14,电感,有电流存在的地方就有电感，电流流动产生磁场，磁场的能量是由驱动电流提供的。,下图描述了一个理想情况的电感的电压、电流波形曲线,15,当供电电压刚刚加上时，几乎没有电流流过，,Y(t)/I(t),非常高，在很短的一段时间里，电感好像开路一样。,随后，,Y(t)/I(t),开始下降，最后，电压值几乎降至零，电感好像短路器一样，最后，电感的磁场环境完全建立起来之后，限制电流大小的只有电感自身存在的电阻起作用。,Y(t)/I(t),极低。,16,印制导线可以近似地看作是矩形导线，其电感的计算公式为：,2,l W+t,L=0.002l(log-+0.5+0.224-),W+t l,式中,：,L,直线电感（,H）,l,导线长度（,cm）,W,导线宽度（,mm）,T,导线厚度（,mm）,当,t50(W+t),时，公式的最后一项可以忽略不计,(高速电路中电感的影响与计算，请见高速设计部分),17,过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为,D2,过孔焊盘的直径为,D1,PCB,板的厚度为,T,板基材介电常数为,则过孔的寄生电容大小近似于：,C=1.41TD1/(D2-D1),过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度,过孔的寄生电容,18,过孔的寄生电感,在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：,L=5.08hln(4h/d)+1,其中,L,指过孔的电感，,h,是过孔的长度，,d,是中心钻孔的直径。,19,过孔影响,过孔延迟影响,信号传导,负载,关键时序测量,过孔的阻抗影响,阻抗不连续导致信号变形，眼图关闭,短线影响,multi-Gbps,仿真,20,过孔影响,* Source: Intel PCI-Express guidelines,在上,G,的频率中,对一个损耗为10-15,dB,的线路中,一个过孔可以贡献,0.51.0 dB,的损耗.,21,过孔影响,Frequency,Loss (dB),22,特性阻抗,在高速数字电路中，可以把印制导线看作是传输线。常用的印制板传输线是微带线和带状线。,传输线最重要的特性是特性阻抗,Z,0,。,所谓特性阻抗，是指无限长的（相对于被传输信号波长而言）传输线的特性阻抗。,23,（1）表层微带线,微带线是在接地层上由电介质隔开的印制电导线。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。,式中：,Z,0,微带线的特性阻抗（,）,W,印制导线宽度（英寸）,t,印制导线厚度（英寸）,h,电介质厚度（英寸）,印制电路板电介质的相对介电常数,24,（2）,层间带状线,带状线是于两个接地层之间的印制导线。它的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、电介质的介电常数以及两个接层的距离有关。,25,式中：,Z,0,带状线的特性阻抗（,）,W,印制导线宽度（英寸）,T,印制导线厚度（英寸）,H,导线与地层之间的距离（英寸）,印制电路板电介质的相对介电常数,26,（3）非对称带状线,27,式中：,Z,0,非对称带状线的特性阻抗（,）,W,印制导线宽度（英寸）,T,印制导线厚度（英寸）,H,导线与地层之间的距离（英寸）,印制电路板电介质的相对介电常数,28,（4）微带线差分阻抗,w,s,w,t,+,-,h,29,（5）带状线差分阻抗,w,s,w,h,30,（7）层耦合差分阻抗,h,h,s,w,t,31,