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使用IPC-2221计算器进行高电压设计 使用IPC-2221 PCB间距计算器进行高压设计 1 min Blog PCB设计 Electrical Engineers PCB设计 PCB设计 Electrical Engineers Electrical Engineers PCB设计和装配标准不会限制您的工作效率。相反，其存在是为了帮助跨多个行业构建统一产品设计和性能的期望。标准化带来了合规工具，例如某些设计方面的计算器、审计和检查流程等。 在高压PCB设计中，重要的PCB设计通用标准是IPC-2221。该设计标准总结了许多重要的设计方面，其中一些归结为简单的数学公式。对于高压PCB，IPC-2221计算器可以帮助您快速确定PCB上导电元件之间的适当间距要求，这有助于确保您的下一块高压电路板在其工作电压下保持安全。当设计软件包含这些规范作为自动设计规则时，您就可以保持高效并避免在构建电路板时出现布局错误。 什么是IPC-2221？ IPC-2221（修订版B，2012年生效）是公认的行业标准，定义了PCB设计的多个方面。部分示例包括材料（包括基板和镀层）的设计要求、可测试性、 热管理和散热装置以及 环形圈等。 某些设计指南被更具体的设计标准所取代。例如，IPC-6012和IPC-6018分别提供了刚性PCB和高频PCB的设计规范。这些附加标准旨在与通用PCB的IPC-2221标准基本一致。不过，IPC-2221通常不是用于评估产品可靠性或制造良率/缺陷的资格标准。对于刚性电路板，通常使用IPC-6012或IPC-A-600来鉴定已制造的刚性PCB。 IPC-2221B高压设计的导体间距 IPC-2221B标准规定了高压PCB设计的重要设计要求。其中之一是导体间距，旨在解决两点： 在高电场强度下发生电晕或介质击穿的可能性 导电阳极丝化的可能性，有时称为 枝晶生长（ 参见下文） 第一点最重要，因为设置PCB中导体之间的真正最小间距最有利于控制。第二种效应也可以抑制，即采用适当的导线间距、选择适当的材料并在制造过程中保持常规的清洁度。在IPC-2221标准中，防止这些效应所需的间距总结为两个导体之间的电压函数。 下图所示为IPC-2221标准中的表6-1。这些值列出了最小导体间距作为两个导体之间的电压函数。这些值根据导体之间的峰值交流或直流电压而定。请注意，IPC-2221仅针对最高500V的电压规定了固定的最小导体间距值。一旦两个导体之间的电压超过500V，则下表所示的每伏特间距值将用于计算最小导体间距。超过500V之后，所需的最小间距就会相对应增加，如表最下面一行所示。 电流过高时的温度上升 并非所有高压PCB都会在大电流下运行，但那些要求使用大电流的PCB在导体不够大时可能会出现高的温升。PCB中的温度升高是由于焦耳热引起的，这与导体的直流电阻有关。因此，当电流也很大时，承载高电流的导体的横截面积应较大。 要确定最佳横截面积，可以使用基于IPC-2221和IPC-2152标准中所发布数据的计算器。IPC-2152计算器中使用的数据集更复杂，但可以提供比IPC-2221计算器更准确的结果。 访问免费的在线IPC-2221计算器 了解IPC-2152和IPC-2221计算器之间的区别 阅读文章
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 Electrical Engineers PCB设计 PCB设计 Electrical Engineers Electrical Engineers 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
PCIe布局和布线指南 PCIe布局和布线指南 1 min Guide Books PCB设计 PCB设计 PCB设计 小时候，拆开计算机，看着布满各种卡槽、芯片和其他电子器件的复杂主板，我总是有一个疑问，谁能把PCB布局搞清楚？随着我对计算机结构以及外围设备PCB设计的了解越来越多，我开始领会到PCB设计人员在致力于构建出色电子设备方面所做出的贡献。 现代GPU、USB、音频和网卡均可在同一互连标准的背面运行：PCI Express。如果您不熟悉PCIe设备的高速PCB设计，除非从PCI-SIG（外围元件互连特别兴趣小组）购买标准文档，否则有关该主题的信息会有点零散。幸运的是，基本规范可以拆解为可执行的设计规则，您可以使用合适的PCB设计软件，轻松地为下一 PCIe设备进行布局和布线。 与任何高速设计一样，盲目遵循布线规范的标准并不能保证您的设计能够如期工作。任何原型设计都应经过全面测试，以确保设计中不会潜伏信号完整性问题。即使您已经根据阻抗、迹线长度等方面的正确布线规范设计所有内容，设计也仍有可能因布局选择不当而惨遭失败。每一代的PCIe规范还包括测试要求，这些要求发布在 PCI-SIG网站上。我们不会在此进行测试，但请继续阅读简短摘要，了解标准中的内容以及如何设计出最符合新一代PCIe的PCIe卡。 布线规格 目前，负责监督PCIe规范的行业工作组PCI-SIG发布了五代PCIe。 PCIe Gen 5已于今年发布，预计PCIe Gen 6器件将在2022年推出。确切的布线规格取决于您将为特定元件使用哪一代PCIe。在设计方面，您需要将元件和主机控制器配对，以支持元件所需的数据速率。PCIe向前和向后兼容，因此最小数据带宽被限制在控制器和外围元件的最小值。 拓扑和数据速率 所有PCIe链路均由多个通槽（差分对组）组成，这些通道作为一组串行接口提供高吞吐量。请注意，虽然PCIe通槽是串行的，但这些通槽组合在一起似乎形成并行总线，但事实并非如此。双向通信是通过Rx和Tx通槽组进行的。PCIe通槽作为差分对进行点对点布线，因此应制定关于长度匹配和偏斜的标准规则。PCIe标准定义了最多16个可用通槽，这些通道还定义了标准化PCIe卡插槽的大小。不同的主机控制器将有不同数量的可用通槽，然后可以定义它们能够支持多少外围设备。PCIe器件使用具有不同线路代码的嵌入式时钟（Gen 1和Gen 2中为8b/10b，Gen 3及更高版本中为128b/130b），因此我们无需担心像DDR中那样布线额外的时钟通道。最后，每一代的数据吞吐量都是上一代的两倍， 在PCI Gen 阅读文章
印刷电子技术：过去与未来的技术 印刷电子技术：过去与未来的技术 1 min Blog PCB设计 Electrical Engineers Mechanical Designers PCB设计 PCB设计 Electrical Engineers Electrical Engineers Mechanical Designers Mechanical Designers 印刷电子（PE）是一个新兴且迅速增长的互连业务。它起源于家电的印刷柔性键盘以及在花哨杂志和文献中不断扩展的技术。PE的讽刺之处在于，这项技术可能是二战期间首先被采用的，而所有的印刷电路板都源于PE。 应用 PE最令人兴奋的是它将开启的所有新应用和市场。图1仅展示了PE开发者当前正在追求的十个市场。对于这些市场的大多数应用来说，它们的寿命都很短，实际的PE基板可能是一次性的。一些应用已经确立，如柔性键盘、印刷葡萄糖传感器和印刷RFID标签。其他的，如由印刷电池和电泳电解质驱动的化妆品抗皱面膜，甚至没有出现在这个列表上。 材料 材料继续是PE开发者面临的主要挑战。由于许多PE应用对成本敏感，当前的导电墨水（银）和绝缘体（聚酰亚胺薄膜）对它们的应用来说太昂贵了。当前的绝缘体候选材料见表1，导体见表2。 研究似乎更青睐使用玻璃、塑化纸和PET作为基材，以及铜、石墨/石墨烯和碳纳米管(CNT)作为导体的纳米技术。 表2：适用于PE的导电材料和油墨 制造过程 印刷电子技术让人联想到像杂志那样的低成本印刷。这项技术是我们最古老和最自动化的技术之一。但其他印刷技术如图2所示。 油墨印刷的各种方法按其分辨率（以微米计）和每秒平方米的吞吐量来划分。 表3显示了更详细的印刷表格。它列出了速度、分辨率、薄膜厚度（以微米计）以及它可以使用的油墨的粘度。 设计工具 如果您已升级到Altium Designer® 19，您可能已经注意到它具有设计印刷电子产品的能力。这是幸运的，因为许多创意和创新电子产品可能会采用印刷电子基板的形式。3D打印现在可以使用银浆和各种绝缘材料、电阻和电容墨水来制造印刷电子产品。不久将会有半导体（P型和N型）墨水以及OLED浆料可用。随着技术变得更加流行，其他特殊墨水也将被开发，以及类似纸张的改进基板。 要全面而详细地了解印刷电子产品，请下载并阅读Joseph Fjelstad的电子书《Flexible Circuit Technology-Fourth Edition》中的第11章：印刷电子产品，第380-444页，网址为 阅读文章
隔离式与非隔离式电源设计指南 隔离式与非隔离式电源：无故障的正确选择 1 min Blog 了解隔离式与非隔离式电源设计的优势和劣势。 阅读文章
PCB安装孔 用于电镀PCB安装孔的PCB接地技术 1 min Blog 每当将电路板放入外壳时，都需要以某种方式将其安装到该外壳。为了在不使用螺钉损坏PCB表面的情况下提供牢固的安装，通常只需在角落放置电镀通孔。这些PCB安装孔通常有焊盘暴露在阻焊层下方，因此，如有需要，安装点可以电气连接回您的网络之一。在这种情况下，经常出现的一个问题是接地和PCB安装孔。安装是否应在设计中接地，如果是，应如何接地？应该始终连接到底盘、只连接到内部接地还是连接到其他地方？ 这是一个有趣的问题，答案通常都是“总是/从不”的情况。某些人声称他们总是将安装孔接地到外壳，其他人声称这样会破坏设计，永远不应该这样做。与大多数以这种方式制定的设计规则一样，真正的答案更为复杂，从输入电源到接地系统的结构，涉及设计的许多方面。如果您了解如何在PCB输入上定义电源和接地，则设计适当考虑接地的安装策略会更容易。 如何设计PCB安装孔 顾名思义，PCB安装孔用于将电路板固定到外壳上。在PCB安装孔方面，以下几点是公认的： 安装孔通常应电镀，因为这样便于使用金属螺钉进行安装。 由于 金属的浮动碎屑可能造成EMI，因此安装孔应连接到某些接地网（地线 (PE)、信号接地 (SGND)、接地外壳等）。 安装孔的尺寸应适合某些标准尺寸的紧固件。 安装孔可以为非电镀，但必须在设计中使用塑料螺钉或支架。 我 之前在一篇关于工具孔的文章中详细讨论了这个问题，主要是因为一些著名的厂商没有区分安装孔和工具孔。对于设计人员来说，这是一个重要的区别，因为安装孔几乎肯定会成为电路板接地系统的一部分，您应该准确考虑这将如何影响设计中的EMI和安全性。 将电镀的安装孔连接到外壳是一种最佳做法，如果有这样的连接，您的底盘接地可能会连接到接地线。然而，情况并非总是如此，例如在外壳中有金属元件的电池供电系统中。根据PCB安装孔、外壳和接地的连接方式，设备可能会遇到EMI或对用户产生电击。后一种情况是当电源机箱未良好接地（插入时）或负电源终端（未插入时）时计算机电源可能发生的一个问题。如果正确实施PCB接地技术，包括正确的接地连接，则可以消除任何浮动接地连接，这是金属外壳中接地PCB安装孔的主要用途之一。 PCB接地技术和安装孔 不应将上图视为过度概括；在某些情况下，您可能根本不需要将安装孔接地到电路板，而是将其接地到外壳。在其他情况下，您别无选择：您必须将安装孔接地到内部连接，因为没有其他地方可以接地。应用于安装孔的PCB接地技术应考虑到需要处理的电流、该电流的频率以及ESD等安全问题。不幸的是，没有一种方法可以解决所有可能的情况，但希望以下几点可以说明如何考虑安装PCB时出现的接地连接问题。 案例1：低电流直流，无电流隔离 下面的表格显示了一些情况，可说明如何处理标准PCB接地技术中的电镀PCB安装孔。在这里，我们要考虑3线直流（POS、NEG和接地GND连接）、2线直流（仅POS和NEG）以及3线交流已整流为直流的情况。 输入功率 金属外壳 阅读文章
铁氧体磁珠如何工作以及如何选择合适的铁氧体磁珠？ 铁氧体磁珠如何工作以及如何选择合适的铁氧体磁珠？ 1 min Thought Leadership PCB设计 Electrical Engineers PCB设计 PCB设计 Electrical Engineers Electrical Engineers 铁氧体磁珠通常用于高频EMI噪声抑制 有时，我希望我能看到电磁波。这将使检测EMI变得更加容易。我不必折腾复杂的设置和信号分析仪，我只要看看，就知道这是怎么回事。虽然我们可能看不到EMI，但有时我们可以在其通过音频电路时听到它。解决这种干扰的一种可能方法是使用铁氧体磁珠。 可惜，铁氧体磁珠（也称为铁氧体电感、铁氧体钳位、铁氧体环、EMI滤波器磁珠，甚至铁氧体环形滤波器）可能有点神秘。铁氧体磁芯的功能类似于电感器的功能，但铁氧体磁芯的频率响应在高频时会偏离此功能。此外，不同类型的磁珠，例如绕线铁氧体磁珠和片状铁氧体磁珠，对降噪提供的响应不同。例如，线绕铁氧体磁珠在很宽的频率范围内工作，但在直流电设置中提供的电阻较小。为了正确使用，您需要了解其电磁特性及其在使用过程中的变化情况。掌握铁氧体磁珠使用背后的理论之后，您可以有意识地为电路板实现正确的选择。如果不这样做，最终造成的问题可能会比修复的问题更多。 此图显示了为什么铁氧体磁珠有时被称为铁氧体环或铁氧体电感 什么是铁氧体磁珠以及铁氧体磁珠如何工作？ 铁氧体磁珠是无源电子元件，可以抑制电源线上的高频信号。它们通常放置在接入特定设备的电源/地线对周围，例如笔记本电脑的电源线。这些磁珠根据法拉第定律工作：导体周围的磁芯在高频信号存在时感应反电动势，从根本上衰减铁氧体频率响应。您可以从Coilcraft等专业制造商处获取标准铁氧体磁珠，但某些项目可能需要定制磁珠。 铁氧体是磁性材料，将这种材料放在电源/地线周围的铁氧体夹中，可以为通过线路的信号提供电感阻抗源。这可能会诱使您将其视为标准电感器，但它们比这更复杂。实际上，铁氧体磁珠是非线性元件。它提供的阻抗变化是负载电流和铁氧体两端电压降的变化。铁氧体磁珠的简化电路模型将帮助您了解其频率特性。但是，请记住，这些属性可能会随着电流和温度而变化。 负载电流可以改变铁氧体的阻抗。 铁氧体磁珠有什么用处？ 由于铁氧体磁珠阻抗为电感式，因此铁氧体磁珠电感器用于衰减电子元件中的高频信号。当铁氧体磁珠扼流圈放置在连接电子设备的电源线上时，它会消除电源连接上或直流电源输出的任何杂散高频噪声。这种铁氧体夹的使用是噪声抑制的众多方法之一，例如开关式电源的噪声抑制方法。这种将铁氧体磁珠用作铁氧体滤波器的应用可以抑制和消除传导型EMI。 在铁氧体磁珠作为滤波器的各种用途中，EMI滤波器磁珠/电源滤波器磁珠通常额定为一定的直流电流阈值。超过指定值的电流可能会损坏元件。麻烦的是，这个极限会受到热量的严重影响。随着温度的升高， 额定电流迅速下降。额定电流也会影响铁氧体的阻抗。随着直流电流的增加，铁氧体磁珠将“饱和”并失去电感。在相对较高的电流下，饱和可 将铁氧体磁珠阻抗降低多达90%。 铁氧体磁珠对比电感器 尽管可以将铁氧体磁珠建模为电感器，但铁氧体磁珠电感器的性能与典型电感器不同。欲知如何衡量铁氧体磁珠的性能与电感器的性能，您可以通过铁氧体磁珠发送模拟信号并在几个数量级上扫频。如果您为铁氧体磁珠的频率扫描测量创建波德图，您会发现与具有类似低频行为的电感器相比，铁氧体磁珠在较高频率下提供更急剧的衰减。 铁氧体磁珠连接至交流电源的简单而准确的模型。 铁氧体磁珠 可以建模为电容器和电感器，也可以建模为与此RLC网络并联的电阻器，该网络连接有串联电阻器。串联电阻器量化了器件对直流电流的电阻。该模型中的电感器代表了铁氧体磁珠衰减高频信号的主要功能，即通过法拉第定律提供电感阻抗。该模型中的并联电阻考虑了高频时铁氧体磁珠内电感的涡流损耗。最后，该模型中的电容考虑了元件的自然寄生电容。 查看 铁氧体磁珠阻抗曲线时，主要电阻阻抗仅在一个薄频带中表现为非常高。磁珠的电感在此薄频带内占主导地位。在更高的频率下，铁氧体磁珠的阻抗开始出现电容性过大的现象，并且阻抗迅速下降。最终，随着频率继续增加，容抗将下降到一个非常小的值，铁氧体磁珠阻抗呈现纯阻性。 阅读文章