PCB损耗详解：五种主要损耗类型及优化策略

PCB损耗详解：五种主要损耗类型及优化策略

引用

CSDN

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https://m.blog.csdn.net/weixin_42107954/article/details/137125805

在高速数字电路设计中，PCB（印制电路板）的信号完整性是一个至关重要的问题。信号在传输过程中会受到各种损耗的影响，导致信号质量下降。本文将详细介绍PCB中的五种主要损耗类型，并探讨如何通过优化设计来最小化这些损耗。

PCB损耗概述

传输线一般有五种损耗，分别为：

1. 辐射损耗
2. 耦合到相邻走线
3. 阻抗不匹配
4. 导体损耗
5. 介质损耗

其中，导体损耗是由于电流流动过程中产生电阻损耗而发热。介电损耗是由于电场通过介质时分子的交替极化和晶格碰撞造成的。辐射损耗是由于微带线结构的半开路性质造成的电磁波辐射，一般比较小，可以忽略不计。

经验值：
对于所有时钟频率高于1GHz，且传输长度超过10in的信号，传输线损耗是必须要考虑的问题。

高频损耗去向：
传输链路上高频分量的衰减大于低频分量，那么高频分量去到了哪里？我们知道容性和感性突变并不吸收能量。其实高频分量被反射到源端，最终由链路的端接电阻和 源端驱动器内阻吸收和消耗了，表现为温度的上升。

导体损耗

在信号路径和返回路径中，信号受到的串联电阻与导线的体电阻率和电流传播通过的横截面有关。直流时，电流在信号导线中均匀分布，电阻为

其中,R表示传输线的电阻(单位为Ω),p表示导线的体电阻率(单位为·in)，Len表示线长(单位为in)，W表示线宽(单位为in),t表示导线的厚度(单位为in)。

如果返回路径是一个平面,则直流电流分布就在横截面上扩展开,且返回路径电阻比信号路径电阻小得多，可以忽略不计。

趋肤效应

一般超过10MHz的频率分量，电阻与频率有关

由于趋肤效应，如果电流仅流过导线的下半部分，则导线的电阻近似为

其中,R表示线电阻(单位为Ω),p表示导线的体电阻率(单位为·in)，Len 表示线长(单位为in)，w表示线宽(单位为in),8表示导线的集肤深度(单位为in)。

如前面图9.6所示，微带线的返回路径中电流分布的宽度约等于信号路径宽度的3倍返回路径的电阻与信号路径的电阻是串联的，所以在频率高于10MHz时，传输线的总电阻为0.5R+0.3R=0.8R，即微带线信号路径的总电阻预计约为

其中,R表示线电阻(单位为Ω),p表示导线的体电阻率(单位为·in)，Len表示线长(单位为in),表示线宽(单位为in),8表示导线的集肤深度(单位为in),0.8表示系数,由信号路径和返回路径中的具体电流分布确定。

介质损耗

其中，介电损耗公式如下：

跟频率、损耗正切角和介电常数有关。

通常，在2.5Gbps或更高的高速链路中，介质损耗占主导地位，因为，叠层材料的耗散因子非常重要。

如果材料受潮，从潮湿空气中吸收水分，水分子密度的提高会使耗散因子增大。

衰减和db

功率增益说明：

假设功率增加了1,000倍，则P1/P0为1000，得出30dB。

假设功率翻倍，则P1/P0为2，得出3dB，即通常所说的3dB变化，功率翻倍。-3dB为半功率点。

由于P~V2

电压增益说明：

总结：算db时如果指的是功率或能量，系数为10，如果指的是幅度，系数为20。

单位长度衰减

介质引起的衰减与的几何结构无关，仅由材料的耗散因子决定。

FR4型叠层的介质损耗约为0.1dB/in/GHz，导线的损耗也可能造成等量的损耗，因此，典型的通道衰减约为0.1~0.2dB/in/GHz。

FR4衰减少的最佳线宽

增加线宽可以降低导线损耗，但是为了维持阻抗不变，增加线宽的同时也需要增加介质厚度，这个情况不现实。

为了使衰减最小，最优的走线宽度在5~10mil之间。

参考书籍：《信号完整性和电源完整性仿真》