影響直流電源PCB線路走線阻抗的三個(gè)因素
2017-6-7 9:52:29??????點(diǎn)擊：
為什么大多數(shù)直流電源工程師喜歡用50歐姆作為直流電源PCB線路板的傳輸線阻抗（有時(shí)候這個(gè)值甚至就是直流電源PCB線路板板的缺省值） ，為什么不是60或者是70歐姆呢？
對(duì)于寬度確定的走線，3個(gè)主要的因素會(huì)影響直流電源PCB線路板走線的阻抗。
首先，是直流電源PCB線路板走線近區(qū)場(chǎng)的EMI（電磁干擾）和這個(gè)走線距參考平面的高度是成一定的比例關(guān)系的，高度越低意味著輻射越小。
其次，串?dāng)_會(huì)隨走線高度有顯著的變化，把高度減少一半，串?dāng)_會(huì)減少到近四分之一。
最后，高度越低阻抗越小，不易受電容性負(fù)載影響。所有的三個(gè)因素都會(huì)讓設(shè)計(jì)者把走線盡量靠近參考平面。阻止你把走線高度降到零的原因是，大多數(shù)芯片驅(qū)動(dòng)不了阻抗小于50歐姆的傳輸線。（這個(gè)規(guī)則的特例是可以驅(qū)動(dòng)27歐姆的Rambus，以及National的的BTL系列，它可以驅(qū)動(dòng)17歐姆）并不是所有的情況都是用50歐姆最好。例如，8080處理器的很老的NMOS結(jié)構(gòu)，工作在100KHz，沒有EMI，串?dāng)_和電容性負(fù)載的問題，它也不能驅(qū)動(dòng)50歐姆。對(duì)于這個(gè)處理器來說，高的阻抗意味著低功耗，你要盡可能的用細(xì)的，高的這樣有高阻抗的線。純機(jī)械的角度也要考慮到。例如，從密度上講，多層板層間距離很小，70歐姆阻抗所需要的線寬工藝很難做到。這種情況，你應(yīng)該用50歐姆，它的線寬更加寬，更易于制造。
同軸電纜的阻抗又是怎么樣的呢？在RF,高速領(lǐng)域，和直流電源PCB線路板中考慮的問題不一樣，但是RF工業(yè)中同軸電纜也有類似的阻抗范圍。根據(jù)IEC的出版物（1967年），75歐姆是一個(gè)常見的同軸電纜（注：空氣作為絕緣層）阻抗標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟憧梢院鸵恍┏Ｒ姷奶炀€配置相匹配。它也定義了一種基于固態(tài)聚乙烯的50歐姆電纜，因?yàn)閷?duì)于直徑固定的外部屏蔽層和介電常數(shù)固定為2.2（固態(tài)聚乙烯的介電常數(shù)）的時(shí)候，50歐姆阻抗趨膚效應(yīng)損耗最小。
你可以從基本的物理學(xué)來證明 50 歐姆是最好的，電纜的趨膚效應(yīng)損耗L（以分貝做單位）和總的趨膚效應(yīng)電阻R（單位長(zhǎng)度）除以特性阻抗Z0 成正比?？偟内吥w效應(yīng)電阻R 是屏蔽層和中間導(dǎo)體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應(yīng)電阻在高頻時(shí)，和它的直徑d2 成反比。同軸電纜內(nèi)部導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)電阻在高頻時(shí)，和他的直徑d1 成反比。總共的串聯(lián)電阻R，因此和(1/d2 +1/d1)成正比。綜合這些因素，給定d2 和相應(yīng)的隔離材料的介電常數(shù)ER，你可以用以下公式來減少趨膚效應(yīng)損耗。
在任何關(guān)于電磁場(chǎng)和微波的基礎(chǔ)書中，你都可以找到Z0 是d2，d1 和ER（注：絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)）的函數(shù)
把公式 2 帶入公式1 中，分子分母同時(shí)乘以d2,整理得到
公式 3 分離出常數(shù)項(xiàng)(
/60)*(1/d2),有效的項(xiàng)((1+d2/d1 )/ln(d2/d1 ))確定最小點(diǎn)。
仔細(xì)查看公式三公式的最小值點(diǎn)僅由d2/d1 控制，和ER 以及固定值d2 無關(guān)。以d2/d1為參數(shù)，為L(zhǎng) 做圖，顯示d2/d1=3.5911 時(shí)（注：解一個(gè)超越方程），取得最小值。假定固態(tài)聚乙烯的介電常數(shù)為2.25，d2/d1=3.5911 得出特性阻抗為51.1 歐姆。很久之前，無線電直流電源工程師為了方便使用，把這個(gè)值近似為 50 歐姆作為同軸電纜最優(yōu)值。這證明了在50 歐姆附近，L 是最小的。但這并不影響你使用其他阻抗。
例如，你做一個(gè)75 歐姆的電纜，有著同樣的屏蔽層直徑（注：d2）和絕緣體（注：ER），趨膚效應(yīng)損耗會(huì)增加12%。不同的絕緣體，用最優(yōu)d2/d1 比例產(chǎn)生的最優(yōu)阻抗會(huì)略有不同（注：比如空氣絕緣就對(duì)應(yīng)77 歐姆左右，直流電源工程師取值75 歐姆方便使用）。
其他補(bǔ)充：上述推導(dǎo)也解釋了為什么75 歐姆電視電纜切面是藕狀空芯結(jié)構(gòu)而50 歐姆通信電纜是實(shí)芯的。還有一個(gè)重要提示，只要經(jīng)濟(jì)情況許可，盡量選擇大外徑電纜（注：d2），除了提高強(qiáng)度外，更主要的原因是，外徑越大，內(nèi)徑也越大（最優(yōu)的徑比d2/d1），導(dǎo)體的RF 損耗當(dāng)然就越小。
為什么 50 歐姆成為了傳輸線的阻抗標(biāo)準(zhǔn)？
鳥牌電子公司提供了一個(gè)最為流傳的故事版本，來自于Harmon Banning 的《電纜：關(guān)于50 歐姆的來歷可能有很多故事》。在微波應(yīng)用的初期，二次世界大戰(zhàn)期間，阻抗的選擇完全依賴于使用的需要.對(duì)于大功率的處理，30 歐姆和44 歐姆常被使用。另一方面，最低損耗的空氣填充線的阻抗是93 歐姆。在那些歲月里，對(duì)于很少用的更高頻率，沒有易彎曲的軟電纜，僅僅是填充空氣介質(zhì)的剛性導(dǎo)管。半剛性電纜誕生于50 年代早期，真正的微波軟電纜出現(xiàn)是大約10 年以后了。隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要給出阻抗標(biāo)準(zhǔn)，以便在經(jīng)濟(jì)性和方便性上取得平衡。在美國(guó)，50 歐姆是一個(gè)折中的選擇；為聯(lián)合陸軍和海軍解決這些問題，一個(gè)名為JAN 的組織成立了，就是后來的DESC，由MIL 特別發(fā)展的。歐洲選擇了60 歐姆。事實(shí)上，在美國(guó)最多使用的導(dǎo)管是由現(xiàn)有的標(biāo)尺竿和水管連接成的，51.5 歐姆是十分常見的?？吹胶陀玫?0 歐姆到51.5 歐姆的適配器/轉(zhuǎn)換器，感覺很奇怪的。最終50 歐姆勝出了，并且特別的導(dǎo)管被制造出來（也可能是裝修工人略微改變了他們管子的直徑）。不久以后，在象Hewlett-Packard 這樣在業(yè)界占統(tǒng)治地位的公司的影響下，歐洲人也被迫改變了。75 歐姆是遠(yuǎn)程通訊的標(biāo)準(zhǔn)，由于是介質(zhì)填充線
在77 歐姆獲得最低的損耗。93 歐姆一直用于短接續(xù)，如連接計(jì)算機(jī)主機(jī)和監(jiān)視器，其低電容的特點(diǎn)，減少了電路的負(fù)載，并允許更長(zhǎng)的接續(xù)；感興趣的讀者可以查閱MIT RadLab Series 的第9 卷，里面有更詳細(xì)的描述。
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