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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 Electrical Engineers Electrical Engineers Electrical Engineers 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
独特的柔性终端连接方法 独特的柔性终端连接方法 1 min Blog 我认为重要的一点是要知道，基本上 任何你会为硬质印刷电路板选择的连接器也可以组装到柔性电路上。传统的通孔和SMT连接器、高密度圆形连接器、D-型微型连接器、插针和插座连接器、有引线和无引线的，都是与 柔性材料一起考虑的选项。 话虽如此，我要稍微偏离主题，提醒大家不要忘记在需要加固件来帮助支撑连接器区域时，审查和实施推荐的设计规则。在许多情况下，连接器本身比柔性材料重，如果没有加固件支撑，可能会导致应力和导体开裂。但是，回到主题，在今天的博客中，我们将讨论一些更独特于柔性电路的终端方法；ZIF连接器、不支撑的柔性手指和压接触点。 ZIF（零插入力）连接器： 零插入力连接器是越来越受欢迎的连接方法之一，具有多个好处。柔性电路可以多次插入和移除，对铜线迹的机械磨损很小。ZIF连接器通常包含机械锁紧机制，该机制夹紧暴露的线迹，确保长久、稳固的连接。将柔性电路直接插入到刚性板上的ZIF“配对”连接器中，可以消除对配对连接器的需要，这可能会减少连接轮廓，将成本和重量降至最低。 示例配对ZIF连接器。 在设计将直接与ZIF连接器配对的柔性电路时，你需要注意几件事情。首先，配对区域的整体厚度至关重要。通常，插入连接器末端的电路的常见厚度要求为0.012英寸 +/- 0.002英寸。通常，柔性电路的整体厚度比这更薄，需要在接触区域增加聚酰亚胺加固片，以增加到该厚度。再次，稍微偏题一下，不要忘记 覆盖层和加固片的端点应至少重叠0.030英寸，以避免在电路上增加应力点。 要注意并在设计中考虑的第二点是，ZIF终端的外形公差通常为+/- 0.0002英寸。这比标准外形工具更严格，可能需要专用工具来满足该规格。通常使用激光切割外形或A级工具来满足这些严格的要求。 最后要注意的是，如果需要多次插入，考虑表面处理选择可能产生的影响很重要。如果您指定了薄镀层，重复的插入和拔出可能会刮掉薄金属，暴露出下面的金属。 不支撑的柔性手指 这种终端选项高度可定制，本质上是导体的延伸，这些导体在三侧未被覆盖层或基材封装。这创建了一个可以从柔性电路的任一侧访问的“自由浮动”导体。这些柔性手指可以根据特定要求定制，以满足间距、长度和位置的需求，并在安装和使用过程中仍保持强大的终端连接能力和灵活性。这种方法允许轻松直接连接到PCB或其他组件。这些不支撑的柔性手指可以是直的，也可以为 SMT组装弯曲。 虽然这种终端方法可能只需要手指厚度简单地作为铜导体的延伸，但手指区域更常被设计为具有更厚、更坚固的手指，这些手指向下渐变为在弯曲区域中较薄的铜厚度。 在柔性PCB上的不受支撑的导体手指。 通常，手指区域的导体厚度为0.010英寸，非手指区域预先蚀刻为较薄的铜重量。然后通常通过激光消蚀在手指区域的三侧去除材料来形成这些手指。这种选项的好处是可以定制以满足确切的应用要求，但也应该注意，这种选项的额外处理将增加成本。最后需要指出的是，这种解决方案在组装前容易导致手指区域受损。为了减轻这种风险，通常通过用总线条连接所有手指，保持所有手指对齐，以最小化对不受支撑手指区域的损害。 阅读文章
从头开始组建电子实验室 电子实验室设备：从头开始组建实验室 3 min Blog 从头开始组建新的电子实验室？在本文中，您将从预算、工具、首个焊台、原型制作设备等方面了解基本信息。 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
设计过程早期的预算报价 设计过程初期的预算报价 1 min Blog 将要大批量生产的新产品总是从原型开始，而在产品设计和开发过程中，将会构建多个电路板。涉及的成本必须在整个过程中和在原型制作的每个阶段进行审查，一种方法是为您的设计请求预算报价。 预算报价提供了采购PCB、组装服务以及组装中的零件的估算。基于这些点和预期的原型制作轮次数量，可以在将产品投入大量生产之前创建产品开发预算。 当您需要获取预算报价以制定开发预算时，请确保获取我下面概述的信息。 预算报价的最重要点 在为新产品生产第一个原型之前获取预算报价的最佳时机，就是在设计最终确定并送入制造之前。预算报价能够在设计投入原型制造之前，为您提供一个合理的原型成本估算。 为此，您需要向制造厂和装配厂提交初步的输出文件（通常是 Gerber文件、钻孔文件和物料清单（BOM））。 确保在沟通时明确指出：您提供的输出文件仅用于预算报价目的。 在生成输出文件时，设计尚未完成是完全合适的。通常，您会在所有元件放置完成，可能完成了70-80%的布线时进行。为了确保您能够获得预算报价，请确保向制造厂提供以下信息： 生产的板材类型和数量（柔性、刚柔结合、 PTFE、混合结构等） 最小蚀刻特征尺寸和最小钻孔特征尺寸 通孔类型：盲孔/埋孔、垫片内通孔、堵孔/填充 & 封顶、孔壁镀层、回钻等。 表面镀层类型 特殊功能，如沉头/沉孔、边缘镀层和切口 附加服务，如工程审查 组装厂将根据物料清单(BOM)报出预算报价。他们会使用独特行数、总放置数、最小SMD封装尺寸、最小针脚间距尺寸、无引脚部件数量（BGAs、LGAs、QFNs）以及需要双面组装的这些特殊部件数量来确定组装成本。只要BOM最终确定，这部分的预算报价将非常准确。 质量要求是什么？ 阅读文章