PCB设计

The history of engineering, both electrical and mechanical, is littered with approximations that have fallen by the wayside. These approximations

When I designed some of my first boards, I was always working at DC or low speed, and any signal

After a recent inquiry from a customer about a high power board that must withstand high gas pressures, my team

Whether you are performing AC-DC conversion or DC-DC conversion, switching power supply layouts are common in high voltage design and

开关电源（SMPS）是那种在安静中（尽管在电气上很嘈杂）确保你最喜爱的电子设备平稳运行的设备。它们默默地在背后执行着它们的职责，然而没有它们你的电路板就无法运作。作为为功率需求大的应用设计直流-直流转换器的一部分，组件选择对于确保向负载稳定供电并且高效率至关重要。 在众多直流-直流转换器拓扑结构中，降压转换器（buck converter）因其在降低输入电压至较低水平时提供高效率的电力转换而被广泛应用。关于这些电源转换器的组件选择的一个常见问题是如何为降压转换器选择一个电感器。在降压转换器中使用电感器和其他组件的目标是限制电力损失转化为热量，同时最小化电流涟漪。 降压转换器中的电感器 以下展示了SMPS的基本降压转换器拓扑结构。在此图中，MOSFET的输出通过PWM信号驱动，该信号以用户选择的占空比开关MOSFET。当PWM信号切换时，电感和电容在提供稳定电流给负载中起着关键作用。最终，PWM信号的占空比是允许用户控制输出到负载的电压的主要功能。 电感将以与PWM信号相同的速率不断切换，因此它负责在发送到输出的电流上叠加一些轻微的纹波。电感和电容形成了一个L滤波器，基本上是一个二阶带通滤波器。假设您使用了一个足够 大的低ESR电容，电容将提供低阻抗，构成纹波的高频分量将被大量移除。 如何为您的降压转换器选择电感 电感器的适当值取决于您的设计能够容忍的期望纹波电流，以及您计划用于PWM信号的占空比。下面的方程显示了输出电压作为二极管正向电压降和MOSFET上状态电压降的函数。在考虑了这些电压后，输出电压是： 我将跳过一些数学计算，直接得出重要结果。首先，电感和PWM频率与纹波电压成反比。其次，纹波还是PWM占空比的二次函数。降压转换器中的纹波电流是： 注意，PWM信号的上升时间在任一方程中都没有出现。然而，上升时间很重要，因为它在确定 转换器发出的噪声和损耗方面（见下文更多详情）起着作用。重要结果可以总结如下： 增加占空比将减少纹波，但也会使输出电压更接近输入。 提高PWM频率会减少纹波，但这将 增加MOSFET的散热量。然而，这里有一个需要注意的地方：使用边沿速率更快的PWM信号会减少因高PWM频率而产生的损失（再次见下文）。 使用更大的输入电压需要使用更大的电感器以将纹波降低到可接受的水平。通常，使用更大的电感器来减少纹波。 为什么PWM上升时间很重要 电感器负责创建并同时抑制输出电流上的纹波，尽管这可以作为设计目标在设计中设置，遵循上述指导方针。然而，有一些关于任何开关调节器的重要方面是电感器无法控制的： 来自开关元件的辐射EMI：晶体管的这种开关噪声可以在下游电路中引入一些噪声。 由于皮肤效应而导致的热损失：这是电感器的几何形状而非电感值的函数。如果电感器具有更大的横截面积和更高的热导率，热量可以以更高的速率从电感器中散发出去。

随着组件的操作速度增加，受控阻抗在数字、模拟和混合信号系统中变得越来越常见。如果互连的受控阻抗值不正确，那么在电路测试期间识别这个问题可能非常困难。轻微的不匹配可能不会导致板失败，但如果没有在板上放置正确的测试点和测试结构以便进行裸板阻抗测试，那么很难确定不正确的阻抗是任何测试失败的原因。 由于阻抗取决于许多参数（走线几何形状、层压板厚度和层压板Dk值），因此目前大多数PCB都进行受控阻抗测试。然而，测试通常是在PCB测试优惠券上进行的，该测试优惠券是在与PCB相同的面板上制造的（通常沿着边缘）。如果你想快速完成板旋转并帮助未来的设计，你可能会考虑设计一个测试优惠券，并为未来的设计保留它。此外，为您的制造商提供有关您建议的互连几何形状的充分文档，对于确保您的制造商创建正确的测试优惠券非常有帮助。 单独或集成的PCB测试券？ 任何测试优惠券的目标都是准确捕捉您的电路板预期的堆叠结构，并促进准确的互连阻抗测试。有许多方法可以做到这一点。在一个用于控制阻抗的测试优惠券中，制造商可能会在面板边缘留出一些空间，放置一些用于控制阻抗测试的测试结构。测试优惠券也可以从供应商库中选择，按照行业标准设计（例如， IPC 2221B 附录A的D优惠券），或使用一些软件生成（例如， IPC 2221B Gerber 优惠券生成器）。 有时，测试优惠券会被集成到实际的PCB中，而不是作为同一面板上的单独部分创建。在这种情况下，测试优惠券可能不会有人们期望的典型外观，这种外观通常是由生成的或供应商提供的测试优惠券所具有的。Kella Knack在 最近的一篇文章中描述了在单独的测试优惠券中包含的常见测试结构（如果你是制造商）或直接在原型板上（如果你是设计师）。 将测试结构直接放置在电路板上可能看起来像是浪费空间，但它极大地帮助了电路测试，无论是在原型设计阶段还是在全面生产阶段。如果您正在设计不常见的互连几何形状，您需要在大规模生产前评估阻抗。设计一个带有您的互连设计的单板并在内部测试它们并无妨。您需要为测试板预付费用，但如果您能在生产前获得所需的测量数据，可能会省下一次板子旋转的费用。 超越阻抗 互连阻抗、PDN电容、导体损耗和传播延迟都可以通过正确的测试结构来测量。放置在定制测试优惠券上的其他测试结构对于确定基板层压板的 介电常数也很有用。一旦进入微波/mmWave领域，就应该测试插入损耗和腔体辐射，以确保受控阻抗线上的模拟信号不会经历显著的退化。 测试优惠券还可以通过热冲击测试、回流模拟、玻璃转变温度测量、导体直流电阻测量或您能想象的任何其他测试。测试优惠券还给制造商一个机会来验证制造过程和质量，确保您的新板符合可靠性标准。面板的结果应该在规格值的5%以内。 在高频下的创新