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PCB设计仿真/分析

布局前可使用原理图进行仿真和分析，也可在布局结束后使用实体设计成品进行仿真和分析。Altium Designer提供的资源包括集成的SPICE仿真器、反射和串扰仿真器以及与第三方场求解器的集成，这些资源能帮助您成功开展上述两个阶段的仿真和分析。浏览我们的资源库，详细了解如何使用仿真工具和分析设计中的电气行为。

Altium Designer中的SPICE仿真 How to: Simulation and Analysis Circuit Simulation Documentation
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高功率设计的PCB迹线宽度与电流的关系表 高功率设计的PCB走线宽度与电流的关系表 1 min Blog PCB 设计工程师 电气工程师 PCB 设计工程师 PCB 设计工程师 电气工程师 电气工程师 铜是一种具有高熔点的强导体，但您仍应尽力保持低温。在这里，您需要正确调整电源导轨宽度，使温度保持在一定限值内。不过，这时您需要考虑在给定走线中流动的电流。使用电源轨、高压元件和电路板的其他对热敏感的部分时，您可以使用PCB走线宽度与电流表来确定您需要在布局中使用的电源走线宽度。 另一种选择是使用基于IPC-2152或IPC-2221标准的计算器。有必要学会如何阅读IPC标准中的等效走线宽度与电流图表，因为PCB走线宽度与电流表并不总是全面的。我们将在本文中回顾您需要的资源。 在高电流设计中保持低温 在PCB设计和布线方面经常出现的一个难题是，确定在给定电流值的情况下将设备的温度保持在一定限度内所需的推荐电源线宽度，或相反。典型的操作目标是将电路板中的导体温升保持在10-20°C以内。高电流设计的目标是确定走线宽度和铜重量的大小，以便将温升保持在所需工作电流的某个限制范围内。 IPC制定了与适当方法相关的标准，以针对特定输入电流测试和计算PCB走线的温升。这些标准是IPC-2221和IPC-2152，包含有关这些主题的大量信息。显然，这些标准非常广泛，大多数设计人员没有时间解析所有数据以确定走线宽度与电流表的关系。值得庆幸的是，我们整理了一些资源来帮助您将电流与温升联系起来： 走线宽度与电流表 （参见下文） 用于跟踪温度上升的 IPC-2221计算器 用于跟踪温度上升的 IPC-2152计算器 下面的视频概述了相关的IPC标准，并解释了它们在预测能力和适用性方面的差异。该视频还提供了一些用于计算电流限制或给定输入电流的预期走线温度升高的资源。 PCB走线宽度与电流表 IPC 2152标准是确定走线和过孔大小时的起点。这些标准中指定的公式可直接用于计算给定温升的电流限制，但它们并未考虑受控阻抗布线。也就是说，在确定PCB走线宽度/横截面积时，使用PCB走线宽度与电流表对比是一个很好的起点。这使您可以有效地确定走线中允许电流的上限，然后您可以使用它来调整走线大小以进行受控阻抗布线。 当电路板在大电流下运行，温升达到非常大的值时，基板的电气性能会在高温下表现出相应的变化。基板的电气和机械性能会随温度变化，如果长时间在高温下运行，电路板会变色和变弱。这就是我认识的设计师会调整走线尺寸以使温升保持在10°C以内的原因之一。这样做的另一个原因是为了适应广泛的环境温度范围，而不是考虑特定的工作温度。 下面的PCB电源走线宽度与电流表显示了一些走线宽度和相应的电流值，它们将在1 oz./sq. ft.铜重量时将温度上升限制在10°C。这应该可以让您大致了解如何调整PCB中的走线尺寸。 电流（A） 阅读文章
PDN阻抗分析和建模：从原理图到PCB布局 PDN阻抗分析和建模：从原理图到PCB布局 1 min Blog 我们在这里讲了很多关于信号完整性的内容，但信号完整性其实与电源完整性密切相关。这不仅仅是减少电源/调压器的开关噪声或纹波的问题。在某些设计中，PCB中的PDN阻抗会对您的设计造成不利影响，从而导致电路板中的元件由于电源问题而无法按照设计工作。 这时，了解一些用于PDN阻抗分析的基本模型将起到一定的帮助作用。如果您可以为PDN阻抗建立一些合理准确的模型，则您可以为元件设计适当的去耦网络，以将PDN的阻抗保持在可接受的范围内。 为什么要进行PDN阻抗分析？ 高速和高频PCB设计人员通过阅读本文即可知道答案。但是，随着技术要求的不断提高，无论是否情愿，我们所有人都将成为高速和高频PCB设计人员，因此了解PDN阻抗如何影响PCB中信号的行为就变得非常重要。不幸的是，我们在信息整合方面做得并不够好。因此，我很高兴在这里为大家做一个总结。 简而言之，您的PDN阻抗会影响电路的以下几个方面： 电源总线噪声。 由于PCB中的瞬态电流而产生的电压纹波。请注意，由于PDN阻抗是频率的函数，因此开关引起的电压纹波也将是频率的函数。请注意，无论调压器输出中的噪声水平如何，都会产生这些电压瞬变。 电源总线噪声中的阻尼。 在某些情况下，电源总线上的任何纹波都可能显示为振铃（即，阻尼不足的瞬态振荡）。如果去耦电容器的尺寸不正确，或者在去耦网络中没有考虑到去耦电容器的自谐振频率，就会出现这个问题。 所需的去耦水平。过去，由于电容器自谐振频率（~100 MHz）相对较低，因此使用TTL和更快的逻辑系列并不足以确保PCB中实现去耦。因此，设计人员使用层间电容来提供足够的电容，以确保实现去耦。市场上已推出更新款的具有GHz自谐振频率的电容器，它们足以在高速/高频PCB中实现去耦。 回流路径。您的回流电流将遵循最小电阻路径（针对直流电流）或最小电抗路径（针对交流电流）。接地网络中的阻抗会在空间中变化，并且部分取决于信号轨迹与PDN之间的寄生耦合。 电阻压降。由于构成PDN的导体的固有电阻，供电和回流电流的直流电部分将会遭受一定的损耗。下图显示了PDN分析结果示例，说明了特定信号轨迹以下的回流电流和同一接地层中的直流电流。 定时抖动。由于信号的传播时间有限，因此从去耦电容器和调压器产生的电流将需要一些时间才能到达开关元件。当这些信号到达元件时，它们会干扰输出信号，从而有效地在信号的上升时间中产生一些抖动。通常，由于电源轨噪声引起的定时抖动会随着噪声强度以及调压器与元件之间的长度而增加。在长电源轨上，这可能会导致定时抖动达到几百纳秒，从而使数据去同步并提高误码率。 注意此PDN分析仪输出中的信号轨迹 PDN阻抗分析的简化模型 您可以直接从原理图为PDN的阻抗谱及其瞬态响应建模，但前提是您必须考虑到PDN中的寄生效应。在下面的模型中，您会注意到若干电路元素，但是此模型仅包含两个实际元件。第一个是您的电源/调压器，它具有一定的指定输出阻抗Z（输出），并且通常属于RL串联。第二个是去耦电容器，其理想电容为Cc1。其余的电路元素属于寄生元素。Rs和Ls值分别用于固有导体电阻和寄生电源层电感的建模。Rp、Lp和Cp元件代表了电源和接地层之间的寄生耦合（即，层间电容）。 PDN阻抗分析的简化模型。图片来源： nwengineeringllc.com 在分析此模型之前，您需要确定或估计模型中各个元素的值。去耦电容器的值很容易处理；只需从数据表单中获取所需电容器的值即可。层间电容也很容易粗略估算；只需使用载板的介电常数、重叠的接地/电源层面积以及它们在叠层中的距离，即可得到层间电容Cp。剩余的R值可以使用预期的导线尺寸计算。L值需要根据电路各部分的近似回路电感来估算；这些值通常在pH到几个nH之间。 阅读文章
在您的PCB中减少冷却风扇的电噪音 在您的PCB中减少冷却风扇的电噪音 1 min Blog 电气工程师 电气工程师 电气工程师 谁没有打开过自己的PC或笔记本电脑，仔细观察过它的风扇和散热片呢？如果你正在使用高速组件、高频组件或功率组件，那么你将需要设计一种冷却策略来将热量从这些组件中移除。除非你想使用核选项，安装一个蒸发冷却单元或构建一个水冷系统，否则当你使用冷却风扇时，你将获得最佳效果和最小的形状因子。将风扇加到散热片上以帮助对流散热是一个好主意。 风扇电噪声和辐射EMI 无论你使用哪种方法来冷却你的系统，或者如果你正在构建一个冷却系统，根据驱动风扇的方法，有一些特定的EMI/EMC点需要考虑。 交流驱动 交流驱动的风扇在紧凑系统中较少使用，因为没有频率控制就无法控制速度，而这些系统通常在高交流电压下运行。因此，它们更可能在工业系统中找到。这些风扇可以在基本频率和更高阶谐波处产生显著的传导EMI（共模和差模），然后通过电源/地线传播。这通常可以通过 共模滤波（LC网络）去除，接着是差模滤波（另一个LC网络），以及串联的RC滤波器。 直流驱动 TRANSLATE: 虽然直流风扇看起来可能在电气上没有噪声，但它们确实会产生声学和电气噪声。不同类型的风扇会产生它们自己的电磁干扰（EMI），这使得通过 EMC测试变得困难。即使是直流驱动的电机也会因为用于吸引和排斥转子的旋转磁体而产生EMI，这在换向时产生强烈的开关噪声。直流风扇产生的EMI通常限于风扇电源线中的传导EMI（对于2线直流风扇）。这种风扇电气噪声通常注入到公共地线中，在任何驱动风扇的放大器的输出处重新出现。 简单的单轴直流冷却风扇 这并不是说直流风扇不会产生辐射电磁干扰（EMI），但由于永磁体和定子绕组产生的未受限磁场（UMF）的存在，辐射EMI将与转速频率相同。几乎所有的风扇在某种程度上都存在UMF，但处理UMF的第一步是制造商的责任。一些制造商会在他们的风扇中放置一个薄钢制外壳，至少在两个安装平面上抑制UMF。这意味着辐射EMI在很大程度上依赖于风扇的方向。 UMF产生的辐射EMI可以在附近的高感抗电路中引起低频纹波电流。较大的风扇通常需要更强的磁场来驱动，因此它们在给定的转速下会展示出更强的EMI。然而，即使在数千RPM的转速下，这种辐射EMI的频率也只会在数百Hz的范围内。 PWM 驱动 PWM 驱动的风扇通过改变占空比和 PWM 信号来控制速度。使用 PWM 阅读文章
您应该为数字集成电路使用什么尺寸的去耦电容？ 解耦电容计算：您应该为数字IC使用什么尺寸？ 1 min Blog 这些去耦电容的尺寸选得合适吗？ 在PCB设计指南中，包括高速数字设计“大师”们经常提到的一点是，需要找到合适的去耦电容尺寸。这有时候是在没有完全理解这些电容在PDN中应该做什么，以及它们在确保电源完整性方面的作用的情况下被提及的。我还看到许多应用说明书默认使用几十年前的指南，即在数字集成电路的电源和地脚之间放置三个电容（通常是1 nF、10 nF和100 nF，或类似这样的配置）。在过去，这可能是足够的；快速数字组件中出现的电源完整性问题并不足以干扰核心电压，所以三个电容完成的工作还算不错。 今天的快速集成电路具有多个输出和低核心电压（低至1.0V），与昔日的较慢组件相比，它们有着更严格的噪声限制。更严格的噪声限制意味着需要更精确的去耦。既然如此，任何与当今相当强大的MCU和许多其他数字组件打交道的设计师都需要知道如何正确地选择去耦电容的大小。那么，最佳的做法是什么呢？一般来说，有两种方法可以做到这一点。让我们来看看这两种方法，了解如何计算去耦电容的值，以及为什么旧有的三个去耦电容的神话在现代高速数字设计中不再适用。 理解等效电容模型 在我们开始确定数字设计所需的去耦电容大小之前，你需要了解电容器的基本电路模型。尽管我们很希望认为电容器的行为完全符合理论，但实际情况并非如此。所有的电容器在引线上都有一定的电感，这定义了它们的阻抗谱，这种阻抗谱是以串联RLC网络经验模型来表示的： 用于模拟电容器的等效RLC电路 在这个模型中，ESR 和 ESL 分别是等效串联电阻和等效串联电感。C 的值可以按照元件数据表中引用的电容量来取。最后，R 的值考虑了构成电容器的电介质的电导。这解释了任何电容器在充电后从其电路中移除时发生的瞬态泄漏。这个值通常足够大，可以忽略。 在这个模型中（忽略 R），值 (ESR/(2*ESL)) 是等效电路的阻尼常数，假设连接到电路两端的负载为 0 阅读文章
EMC认证和您的产品 EMC认证和您的产品 1 min Blog 我职业生涯的大部分时间都在电子领域与小型企业和初创公司合作或为他们工作，并帮助他们将想法转化为实体产品。我面对的几乎每个客户都反复出现的一些误解都是关于电磁兼容合规性的。许多人不知道其产品需要进行EMC测试，一些人不知道认证的持续时间和成本，还有一些人不知道如何将要求应用于其产品。 在那些了解认证的人中，许多人错误地认为其产品没有WiFi、蓝牙或其他RF发射器或收发器，因此不需要进行“RF测试”。还有人认为，作为一家只做几十块或几百块板的公司，他们不需要认证，或者不通过认证也没人管。其中我最喜欢的是一家使用商用电子板（例如Arduino和分路板）并将其全部连接在一个外壳中的公司，他们认为自己无需认证设备。 几乎每个国家/地区都有自己的EMC法规和认证要求。当各个国家/地区共享边界，或者另一个国家/地区的认证/监管机构指导法规制定时，各个国家/地区之间的法规可能会出现相似之处。例如，加拿大和美国的要求非常相似，欧洲大多数国家只要求符合CE规则。与必须为规划营销产品的每个区域认证设备相比，通用要求使认证过程更加简单且更具成本效益。有些国家/地区要求您在其境内的实验室根据其法规对产品进行测试。这可能会大幅增加认证成本和时间，因为您需要将设备送到多个实验室进行测试。 在本文中，我们将特别专注于无意辐射设备，即没有任何有意RF辐射的设备。我们无法构建没有辐射的电子电路；任何时候有可变的电流流过导体，就会产生一个磁场，从而辐射出电磁能。现有的法规和指令旨在确保这些辐射不干扰其他设备或无线电信号，确保它们低于规定的限度。 为什么合规性很重要 如果没有EMC法规，设计不当的设备可能会造成一个无法进行无线电通信的环境，并损坏或破坏其他连接或附近设备的功能。如果没有这些规定，手机的使用、基于无线电的空中交通管制、通过WiFi上网、卫星通信以及其他各种 基于电磁波的技术可能都无法实现。 您可能会认为我举了个极端示例，但是，我见过未经认证的设备会干扰免费电视信号，以至于有些频道会失去所有信号质量，无法在与设备的同一个建筑物中观看，CB收音机在附近也无法使用。举个极端示例，在一次创客活动中，我看到一个带有高频、高安培数电机的机器人没有经过任何测试，在该机器人运行期间，它让一位装有起搏器的老先生感到不适。 这与您和您的产品有何关系？如果您要制作单一的装置以安装到工业设施，怎么办？如果您要制作在Tindie上出售的分路板，怎么办？引用 欧盟委员会的《电磁兼容指令》的网站，“设备（设备和固定装置）在投放市场和/或投入使用时需要符合EMC的要求。” 无论您是销售单一设备供一次性使用，还是制造一百万台设备进行分销，法律都要求您对设备进行认证。即使您将多个现成的电路板装配到一个外壳中而不是制作PCB，此要求也同样适用。同样的要求适用于美国（FCC规则）、加拿大（ISED要求）和其他所有国家/地区。 了解有关EMI和EMC的行业标准和法规的更多信息 当涉及到法规时，您可能认为可以低调行事。然而，我曾与一些小客户合作过，他们之前曾被发现没有产品合规文件。其中一家是美国的单人企业，每年的销售量只有几百台。他向欧洲的一家分销商发出一份订单，但目标国家的海关在提交CE文件之前扣留了这批货物。 另一家小公司销售有意辐射设备（一种RF产品），同样是小批量销售，也因销售未经认证的产品而被FCC罚款数十万美元。如果您的产品引起监管机构的注意，仅仅进行少量销售也逃不过处罚。 认证产品肯定比因不合规而销毁货物或被罚款要便宜得多。 如何获得产品认证 最终，您的产品需要交给认证实验室，该实验室需要由负责产品认证的监管机构的认可或批准。寻找一个在预算范围内并提供所需服务的实验室可能具有挑战性。如果时间允许，电子贸易展是一个很好的选择，能够让您与来自不同实验室的工程师交流。即使是以电子制造/装配业务为重点的相对较小的贸易展览会，也可能会有来自多个实验室的多位代表出席。 提供最低报价的公司不一定是最好的测试者。在认证过程中，您需要与实验室密切合作，尤其是在第一次认证的情况下。理想情况下，与您合作的实验室将在产品的整个开发过程中与您合作。开发原型时，您将带着硬件参观实验室，或者将硬件送到实验室，并对原型进行预一致性测试。 如果发现问题，尽早测试原型可以让您及时更改硬件，与仅将最终产品送去测试相比，这将为您节省宝贵的时间和金钱。如果您确实发现问题，优秀实验室的工程师会根据他们丰富的经验给您一些解决问题的想法，而不是仅仅告知失败。更好的是， 亲自参加预认证将使您能够当场实施其中一些建议并快速重新测试，这样您就可以带着变更列表而非问题列表返回办公室。 阅读文章
电源模块的处理方法 电源模块的处理方法 1 min Webinars 此次课题主讲电源设计。电源是整个项目的基石，电源的稳不稳定可以决定整个系统的可靠性问题。所以需要对每一个项目的电源进行严谨的处理。说到电源，我们见到最多的就是开关电源或者LDO，这些电源中涉及到爬电问题、干扰问题等。通过下面的快充主板讲解，帮助大家能更好的理解电源模块的处理方法。 阅读文章
PDN分析及应用系列一——安装，许可及设置 PDN分析及应用系列一——安装，许可及设置 2 min Blog 由于电子产品的低功耗要求，PCB板上的电源分布网络设计已经成为当下最热门的话题之一… 与高速设计一样，PDN 设计也已成为PCB 设计中的一项关键技术。 大约二十年前，微处理器工作在数MHz的时钟频率下，5V电源供应使得百毫伏量级的噪声也不会引起逻辑错误。只需要保证每个电源管脚安放一个去耦电容就可以满足芯片对电源的需求，电磁辐射也不是设计人员需要重点考虑的问题，电子系统的电源设计没有任何挑战。但随着电子元件时钟频率的不断提升以及更多功能集成于芯片内部，芯片的功耗在不断增加，同时芯片制造工艺的进步使得芯片供电电压在不断下降，而且，芯片集成度的增加导致同一个芯片需要更多的电源种类，各种电源域增加了电源系统的设计难度。 如今设计面临的挑战 以前... ICs 通常只有一个供电电压 每个供电电压都有专用的完整的铜皮层，PCB板都比较大，可以有更多的覆铜面积 供电电压比较高，可以有更高的容差 器件引脚数少 现在... 新的器件都有多种供电电压 电源层由多种电源共享，加上分割使得覆铜形状非常复杂，面积变小 供电电压越来越低，能容忍的压降也越来越小 多BGA器件以及其他多管脚器件需要大量的过孔，这样会出现很多“夹点” 另外压降方面... 可能造成IC的供电电压低于最低电压的建议值 然后IC器件运行的参数和性能都不能得到保证 阅读文章