Thông tin PCB - Kháng điện DC, công suất ký sinh trùng và cảm ứng ký sinh trùng của bố trí bảng PCB

Nhiều nhà thiết kế đã quen suy nghĩ về hành vi hệ thống về các mô hình bảng PCB. Những mô hình và sơ đồ mạch này là đúng ở một mức độ nào đó, nhưng chúng thiếu một số thông tin quan trọng xác định hành vi của hệ thống. Thông tin thiếu trong sơ đồ mạch là hình học của bố trí bảng PCB thực tế, xác định cách các yếu tố trong hệ thống được nối bằng điện và từ với nhau. Vì vậy, điều gì gây ra nối trường điện từ giữa các yếu tố mạch, dây dẫn, ferrit và các cấu trúc phức tạp khác trong một bảng PCB thực sự hoặc IC? Điều này được xác định bởi sự tương tác giữa các trường điện từ và vật chất, nhưng một cách khái niệm để tóm tắt hành vi tín hiệu trong các hệ thống phức tạp là xem xét nối theo các yếu tố mạch ký sinh trùng, hoặc ký sinh trùng ngắn gọn. Giới thiệu ký sinh trùng vào các mô hình mạch có thể giúp bạn giải thích hành vi tín hiệu và nguồn cung cấp điện bất ngờ hoặc không mong muốn trong các hệ thống thực, làm cho các công cụ mô hình ký sinh trùng rất hữu ích để hiểu hành vi mạch và sản phẩm.

Điều này là bởi vì một sơ đồ mạch đơn giản là không thể minh họa một số chức năng quan trọng của một bảng PCB thực tế, IC hoặc bất kỳ hệ thống điện nào khác. Ký sinh trùng được đại diện trong sơ đồ mạch như điện trở, tụ điện và cảm ứng, tùy thuộc vào cách chúng hành vi trong lĩnh vực tần số. Lưu ý rằng ký sinh trùng được thảo luận gần như hoàn toàn về các mạch LTI, có nghĩa là ký sinh trùng cũng được coi là tuyến tính và thay đổi thời gian. Ký sinh trùng thay đổi thời gian và phi tuyến tính sử dụng các kỹ thuật mô hình tinh vi hơn liên quan đến lặp lại bằng tay trong lĩnh vực thời gian. Họ cũng có thể rất nhạy cảm với các điều kiện ban đầu của hệ thống, đặc biệt là khi có phản hồi. Mặc dù bảng PCB thực sự phức tạp, các hệ thống LTI bao gồm phần lớn các hệ thống điện thực tế. Xác định tác dụng ký sinh trùng về cơ bản là xác định hành vi tần số của hệ thống vì tác dụng của các yếu tố ký sinh trùng trên tín hiệu là một hàm của tần số. Bằng cách so sánh hành vi tần số của [hệ thống lý tưởng + ký sinh trùng có thể] với [các phép đo hệ thống thực tế], có thể xác định ký sinh trùng có thể tạo ra hành vi phụ thuộc vào tần số trong hệ thống.

Điều gì xác định ký sinh trùng và điều gì không được xem xét trong sơ đồ mạch?

Nhiều khía cạnh của một hệ thống thực có thể tạo ra ký sinh trùng bất ngờ trong bố trí bảng PCB, IC hoặc bất kỳ hệ thống điện nào khác. Điều quan trọng là lưu ý những gì không thể được xem xét trong sơ đồ mạch trước khi cố gắng trích xuất ký sinh trùng bằng cách sử dụng mô phỏng SPICE. Khoảng cách giữa các dây dẫn khác nhau, sự sắp xếp của chúng trên bảng và diện tích cắt chéo của chúng sẽ xác định kháng DC, công suất ký sinh trùng và ký sinh trùng

cảm ứng. Hằng số điện môi: Hằng số điện môi của điện môi của bảng PCB là cao, xác định công suất ký sinh trùng giữa các yếu tố mạch. Khả năng thấm: Đối với các thành phần từ tính, khả năng thấm cũng đóng một vai trò trong việc xác định hành vi tín hiệu và điện, vì các thành phần này tạo ra cảm ứng ký sinh trùng. Khi hoạt động ở tần số cao, biến áp ferrit và các thành phần từ tính khác có thể hoạt động như các cảm ứng hoặc radiator.

hành vi sóng đi du lịch. Bất kỳ tín hiệu nào lan truyền trong bảng PCB thực tế và kết nối với nhau là một hình sóng lan truyền. Sự lây lan của sóng điện từ tạo ra các hiệu ứng đường truyền trong các kết nối không thể được mô hình hóa với một sơ đồ mạch đơn giản. Mô phỏng SPICE của bạn sẽ cần phải được sửa đổi để tính đến tốc độ hữu hạn của hình sóng. Những thứ như hiệu ứng dệt sợi, đặc biệt là các hiện tượng trong nền bảng PCB, rất khó để mô phỏng dễ dàng với mô hình mạch hoặc mô phỏng sau bố trí, vì các mô hình mạch liên quan có thể trở nên khó khăn. Tuy nhiên, mô phỏng mạch có thể giúp bạn kiểm tra rộng rãi hành vi phụ thuộc vào tần số trong bảng PCB. Các ký sinh trùng khác, chẳng hạn như công suất đầu vào / đầu ra hoặc điện cảm dây liên kết trên các mạch tích hợp, có thể dễ dàng xác định bởi vì loại ký sinh trùng và vị trí của nó có thể được biết với sự chắc chắn.

Ví dụ sơ đồ dưới đây cho thấy một mô hình mạch điển hình để kiểm tra và giải thích sự nhảy lại mặt đất trong một mạch tích hợp. Hiệu ứng này xảy ra do cảm ứng ký sinh trùng trong dây mặt đất (được dán nhãn L trong sơ đồ). Tuy nhiên, có những yếu tố khác trong mạch ảnh hưởng đến hành vi của mạch trong sự hiện diện của sự nhảy lên mặt đất. Hai tụ điện tại đầu ra trình điều khiển và đầu vào tải mô phỏng công suất ký sinh trùng do chân trên IC. Các điện trở trên các dòng I / O mô phỏng điện trở DC ký sinh của chúng. Mục tiêu của việc khai thác ký sinh trùng thường là ước tính hành vi phụ thuộc vào tần số của một hệ thống để mô tả rộng rãi hệ thống như công suất hoặc cảm ứng trên các phạm vi tần số nhất định. Sử dụng loại sơ đồ được hiển thị ở trên, bạn có thể trích xuất các hiệu ứng ký sinh trùng bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với các phép đo thí nghiệm. Chỉ cần sử dụng quét tần số để mô phỏng các mạch, hoặc xung để cung cấp phân tích tạm thời của các mạch. Sau đó, bạn cần so sánh kết quả với dữ liệu đo lường để xác định ký sinh trùng trong hệ thống.

Có hai cách để trích xuất ký sinh trùng trong SPICE. Cả hai đều đòi hỏi sự hiểu biết về ký sinh trùng có thể hiện diện trong hệ thống hoặc cần được so sánh với các phép đo của bố trí bảng PCB hoàn thành:

1) Phương pháp phân tích, liên quan đến việc sử dụng các phương trình phân tích để tính toán hành vi phụ thuộc tần số của các mô hình mạch tầm thường hoặc không tầm thường. Giá trị thành phần thường có nguồn gốc từ các bảng dữ liệu hoặc kinh nghiệm trước đó.

2) Phương pháp hồi quy, được sử dụng khi các giá trị tương đương của các yếu tố mạch ký sinh trùng không được biết đến, mặc dù một mô hình chung mô tả mối quan hệ giữa mạch ký sinh trùng và giá trị đo được biết đến. Các phương pháp hồi quy tiêu chuẩn có thể được sử dụng để xác định sự đồng thuận giữa mô hình và dữ liệu.

Trong các ví dụ sắp tới, chúng ta sẽ xem xét cách chạy mô phỏng PSpice cần thiết cho cả hai phương pháp. Thay vì giả định một giá trị duy nhất cho các ký sinh trùng khác nhau, chúng ta sẽ giả định các giá trị có thể khác nhau và kiểm tra phản ứng tần số bằng cách sử dụng mô phỏng SPICE. Kết quả có thể được sử dụng để xây dựng một mô hình mô tả cách phản ứng tần số của mạch phụ thuộc vào một số giá trị giả mạo, sau đó có thể được sử dụng để tính toán các giá trị giả mạo từ dữ liệu đo lường.

Ví dụ, hãy xem cách trích xuất điện dung ký sinh trùng trong tụ điện bằng cách xác định tần số tự cộng hưởng của nó. Tự cộng hưởng là một hiện tượng nổi tiếng trong tụ tần số cao do kháng và điện cảm của loạt ký sinh trùng. Trong sơ đồ dưới đây, chúng tôi có một tụ tụ được đánh giá là 4.7pF, và chúng tôi muốn trích xuất điện cảm và kháng ký sinh trùng. Ở đây, chúng ta đang quét sạch tần số của nguồn và cũng quét sạch các giá trị giả mạo. Điều này được thực hiện bằng cách quét các thông số trong lĩnh vực tần số, sẽ cung cấp cho chúng ta một bộ đường cong cho các phép đo hiện tại của chúng ta. Sau đó, chúng có thể được sử dụng để trích xuất tần số tự cộng hưởng và giá trị ESL. Để làm điều này, bạn cần thiết lập một thông số toàn cầu cho mỗi giá trị thành phần bạn muốn quét. Điều này được thực hiện bằng cách thêm phần PARAM vào sơ đồ và sau đó nhập tên tham số vào giá trị thành phần. Dữ liệu được trích xuất từ các mô phỏng SPICE có thể được sử dụng trong các phương pháp phân tích hoặc phương pháp hồi quy. Trong phương pháp phân tích, các giá trị ký sinh trùng có thể được tính trực tiếp từ phản ứng mô phỏng miễn là có một mô hình của phản ứng tần số như một hàm của giá trị ký sinh trùng (trong trường hợp này là tần số tự cộng hưởng tụ điện). Trong ví dụ trên, chúng ta muốn so sánh kháng trở đo hoặc tự cộng hưởng với giá trị mô phỏng để xác định giá trị chính xác cho ký sinh trùng. Nếu các đường cong mô phỏng và đo rất tương tự, mô hình có thể mô tả hành vi của mạch với độ chính xác cao. Trong thực tế, bạn sẽ không có sự phù hợp hoàn hảo như vậy, vì vậy bạn phải phù hợp với dữ liệu mô phỏng (tần số tự cộng hưởng trong trường hợp này) với một mô hình (thường là định luật tuyến tính hoặc công suất). Sau đó, bạn có thể cắm các quan sát từ dữ liệu đo vào mô hình để tính toán các giá trị cho ký sinh trùng liên quan. Các kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng cho các thử nghiệm và môi trường khác.

Khi nào quay lại layout

Tại một thời điểm nào đó, bố trí bảng PCB thực tế trở nên phức tạp đến mức cố gắng trích xuất ký sinh trùng bằng cách lắp đặt một mô hình mạch tương đương trở nên khó khăn. Về mặt kỹ thuật, bạn có thể viết một chương trình để lặp đi lặp lại phù hợp với dữ liệu và một số mô hình thí nghiệm được xác định trước, nhưng chương trình của bạn vẫn phải đoán chính xác ký sinh trùng là gì và sự sắp xếp mạch tương đương của nó (song song, loạt hoặc không tầm thường) tạo ra hành vi tín hiệu. Tại thời điểm này, lựa chọn thay thế là quay trở lại trình giải quyết trường để trích xuất ký sinh trùng từ bố trí bảng PCB. Trích xuất ký sinh trùng trong layout view là rất đơn giản. Chỉ cần chọn các kết nối để phân tích và chạy công cụ trích xuất tự động. Máy giải trường tích hợp sẽ tính toán ký sinh trùng tương đương trong bố trí bảng PCB trực tiếp từ các phương trình của Maxwell.