PCB之分布电感分布电容

一、分布电感

由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感。例如&＃xff0c;电解电容是两层薄膜卷起来的&＃xff0c;这种卷起来的结构在高频时都具有一定的电感&＃xff0c;它对电路的影响等效于给电路串联上一个电感器&＃xff0c;这个电感值就是分布电感。根据电感器的频率特性&＃xff0c;可以知道由于分布电感的数值一般不大&＃xff0c;在低频可以不考虑分布电感的影响&＃xff0c;但对于高频交流电路&＃xff0c;分布电感的影响就不能忽略了。

1.       线绕精密电阻和电位器的分布参数&＃xff08;分布电容和分布电感&＃xff09;

由于线绕精密电阻和电位器存在分布参数&＃xff0c;所以线绕精密电阻和电位器的匝数较多时&＃xff0c;往往采用无感绕制法绕制&＃xff0c;即正向绕制的匝数和反向绕制的匝数相同&＃xff0c;以尽量减小分布电感。

2.       传输电缆的分布参数

可以把一条传输电缆看成是由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路。

3.       印制板引线的分布参数

对高频电路印制板上的引线来说&＃xff0c;它的分布电感不容忽视。去除这些分布电感影响&＃xff0c;可以加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。

4.       接插件的分布参数

线路板上的接插件&＃xff0c;有520nH的分布电感。双列直插的(24)引脚集成电路插座&＃xff0c;有4~18nH的分布电感。

5.       电容器的分布参数

实际中的电容器与“理想”电容器不同&＃xff0c;“实际”电容器由于其封装、材料等方面的影响&＃xff0c;使其只具备电感、电阻的一个附加特性。单片陶瓷电容器具有很低的等效串联电感&＃xff0c;即具备很宽的退耦频段&＃xff0c;所以比较适合用作高频电路的退耦电容。

综上所述&＃xff0c;这些小的分布参数对于在较低频率的电路中是可以忽略不计的&＃xff1b;而在高频电路中则必须予以注意。

二、分布电容

是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般在任何两个通电导体之间都存在电容&＃xff0c;例如电力输电线之间、输电线与大地之间、晶体管各引脚之间以及元件与元件之间都存在电容。这种电容的容量很小&＃xff0c;但会对电路形成一定的影响&＃xff0c;尤其是在工作频率很高的时候。在PCB设计和布线时就要考虑尽量减少分布电容的影响&＃xff0c;以抑制电源和地线可能产生的噪音。通常将模拟电路区和数字电路区合理地分开&＃xff0c;将电源线和地线单独引出&＃xff0c;把电源供给处汇集到一点。
1.电感线圈的分布电容

    线圈的匝和匝之间、线圈与地之间、线圈与屏蔽盒之间以及线圈的层和层之间都存在分布电容。分布电容的存在会使线圈的等效总损耗电阻增大&＃xff0c;品质因数Q降低。
高频线圈常采用蜂房绕法&＃xff0c;即让所绕制的线圈&＃xff0c;其平面不与旋转面平行&＃xff0c;而是相交成一定的角度&＃xff0c;这种线圈称为蜂房式线圈。线圈旋转一周&＃xff0c;导线来回弯折的次数&＃xff0c;
称为折点数。蜂房绕法的优点是体积小&＃xff0c;分布电容小&＃xff0c;而且电感量。蜂房式线圈都是利用蜂房绕线机来绕制的&＃xff0c;折点数越多&＃xff0c;分布电容越小。
2.变压器的分布电容

　 变压器在初级和次级之间存在分布电容&＃xff0c;该分布电容会经变压器进行耦合&＃xff0c;因而该分布电容的大小直接影响变压器的高频隔离性能。也就是说&＃xff0c;该分布电容为信号进入电网提供了通道。所以在选择变压器时&＃xff0c;必须考虑其分布电容的大小。
3.输出变压器层间分布电容

    输出变压器层间分布电容对音频信号的高频有极大的衰减作用&＃xff0c;直接导致音频信号在整个频带内不均匀传输&＃xff0c;是音频信号失真增大的主要因数。为了削弱极少的分布电容就要采用初级每层分段的特殊绕法&＃xff0c;以降低分布电容对音频信号的衰减。

三、走线、过孔电感电容值计算

导线电感

长度为l,

直径为d,

L和d单位为cm.

PCB 走线电感

W为走线宽度&＃xff0c;

l为PCB走线长度&＃xff0c;(注意PCB为走线电感和敷铜厚度无关)

可知&＃xff0c;若PCB走线长度减少一半&＃xff0c;则电感值也减少一半。

但宽度必须增加10倍才能减少一半电感。

过孔电感

h为过孔深度&＃xff0c;单位mm

d为过孔直径&＃xff0c;单位mm

过孔的直径d对电感的影响较小&＃xff0c;影响较大的是PCB过孔的长度h.

过孔寄生串联电感会消弱旁路电容的贡献&＃xff0c;减弱整个系统的滤波效用。

过孔电容

设过孔阻焊区直径为d2&＃xff0c;焊盘直径为d1&＃xff0c;PCB厚度为h&＃xff0c;板基材介电常数为Er&＃xff0c;则过孔寄生电容大小近似为

单位为inch.

过孔的寄生电容主要影响是延长了信号的上升时间&＃xff0c;在布线中多次使用过孔切换布线层&＃xff0c;则要考虑过孔对信号上升时间的影响。

四、传输线及其分布电容、分布电感、特性阻抗的关系及如何计算

传输线及其分布电容、分布电感及特性阻抗是影响高速信号传输质量的重要因素&＃xff0c;高速互联电路中的很多现象如&＃xff1a;阻抗不连续、反射、串扰、地弹等都与这些因素相关。只有掌握了相关的传输线及其分布电容、分布电感及特性阻抗的知识点&＃xff0c;才能使我们今后在面对高速PCB设计时&＃xff0c;避免出现信号完整性问题。

PCB的组成成分-铜导线

PCB通常由两个导电层&＃xff08;通常为铜箔&＃xff09;及夹在中间的介电层&＃xff08;常用的如环氧树脂玻璃纤维板材&＃xff09;压合而成。然后导电层通过蚀刻&＃xff0c;最终形成了PCB上的互联导线&＃xff0c;PCB上的导线起到连接各个信号节点的作用。

我们知道&＃xff0c;两个互相平行、以空间或介电质隔离的两片薄板导体便构成了电容。无论该导体呈什么形状&＃xff0c;都会存在电容&＃xff0c;导体的形状只会影响电容的大小&＃xff0c;而不会使得电容消失。对于PCB上的走线&＃xff0c;由于空间结构较长&＃xff0c;走线导体的每一部分都会与其周围的导体之间形成电容&＃xff0c;分布在走线的整个长度区间内&＃xff0c;称之为分布电容。

当信号沿着PCB传输时&＃xff0c;每传输一个单位长度都会感受到电容的存在。在高频的情况下&＃xff0c;导体之间的分布电容将直接影响电路的行为。高速互联电路中的很多现象如&＃xff1a;阻抗不连续、反射、串扰等都与分布电容有关。

电感是信号完整性分析的另一个非常重要的参考量&＃xff0c;很多信号完整性问题都与电感有关&＃xff0c;如&＃xff1a;阻抗不连续、反射、串扰、地弹噪声等都与电感有关。对于PCB上的走线&＃xff0c;和分布电容一样&＃xff0c;走线的每个单位长度都存在自感&＃xff0c;并且与周围的导体之间也存在互感的现象&＃xff0c;电感分布在走线的整个长度区间内&＃xff0c;电感是分布式的。

对于高速数字电路而言&＃xff0c;导线其自身的电阻对信号传输的影响是可以忽略不记得&＃xff0c;因为高速信号传输流过的几个毫安的电流不会引起太大的信号完整性问题。但是导线的特性阻抗&＃xff08;Z&＃xff09;却是至关重要的一个因素。

理想传输线

如果传输线是均匀的&＃xff0c;信号无论走到传输线的什么位置&＃xff0c;其所受到的阻抗都是相同的&＃xff0c;那么用一个阻抗值就可以表示整个传输线的阻抗特性&＃xff0c;这个阻抗值便称为传输线的特性阻抗。

对于信号的传输路径和返回路径的分析&＃xff0c;需要分析传输线的分布电容和分布电感&＃xff0c;以及传输线之间填充介质的介电常数。当信号在传输线上传播时&＃xff0c;传输线对走线上信号的影响主要是传输线的分布电容、分布电感及介质对传输的电磁波的影响。当信号在传输线上传播时&＃xff0c;每个时刻传输线上的点都有对应的电压分布及电流分布&＃xff0c;电压与电流的比值就表示这个位置信号所受到的阻抗&＃xff0c;这个参数是用来评测传输线对信号传输影响大小的一个至关重要的因素。特性阻抗对信号的完整性而言非常重要。在高速信号传输的过程中&＃xff0c;如果下一步的阻抗和上一步的阻抗相不匹配&＃xff0c;则会发生信号反射等不良影响。 因此&＃xff0c;对于高速PCB设计而言&＃xff0c;我们的目标是是的信号在传输过程中尽量保持阻抗稳定&＃xff0c;因此首先必须保持传输线特性阻抗的稳定&＃xff0c;所以我们做PCB时&＃xff0c;需要要求板厂对PCB进行阻抗控制&＃xff0c;但是由于各种因素的影响&＃xff0c;会导致实际生产出来的传输线不可能是严格均匀的&＃xff08;如走线蚀刻造成的边缘粗糙而使得线宽有微小的变化&＃xff09;&＃xff0c;因而沿传输线各个点的瞬态阻抗是变化的&＃xff0c;但是只要这种阻抗波动很小&＃xff08;比如要求阻抗控制在50欧 ±10%这个水平&＃xff09;&＃xff0c;我们依然可以用特性阻抗近似地表示传输线的整体特性。

分布电容、分布电感及其特性阻抗的计算可用通过Saturn PCB Design Toolkit计算大部分常用的PCB相关的参数数据。