AC/DC

電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類。DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)、外均已成熟和標準化并得到用戶的認可;但AC/DC的模塊化，因其自身的特性，使得在模塊化的進程中遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

DC/DC變換

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流暫波。暫波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用);二是頻率調制方式，ton不變。改變Ts(易產(chǎn)生干擾)，具體的電路有以下幾類：

(1)BUCK電路一降壓暫波器，其輸出平均電壓Vo小于輸入電壓Vt，極性相同。

(2)BUCK電路一壓暫波器，其輸出平均電壓v0大于或小于輸入電壓，極性相同。

(3)BUCK電路一壓或升壓暫波器，其輸出平均電壓Vo大于或小于輸入電壓v0，極性相反，電感傳輸。

(4)BUCK電路一降壓或升壓變壓器，其輸出平均電壓v0大于或小于輸入電壓U極性相反，電容傳輸。

AC/DC變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向是可以雙向的，功率流由電源流向，負載的稱為“整流”。功率由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC 變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流濾波，因此體積相對較大的濾波電容是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UI、CCE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC率波電及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化。另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關動作，使解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求。由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使很多電源損耗增大，限制了很高的要求。由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使很多電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化方法，才能使其工作效率達到一定滿意程度。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為半波電路和全波電路，按電源相數(shù)可分為單相、三相和多相，按電路T作象限分為一象限、二象限、三象限、四象限。

AC-Alternating current 是交流的意思 ，DC-Direct current 是直流的意思，AC/DC變換是將交流變換為直流，AC/DC轉換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，功率流由負載返回電源的稱為有源逆變AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。美國POWER-ONE是世界上專業(yè)生產(chǎn)交流/直流電源(AC/DC)、直流/直流電源(DC/DC)變換產(chǎn)品的著名廠家，其產(chǎn)品在世界各地廣泛銷售，得到世界工業(yè)界的普遍應用和好評。尤其在電站、鐵路、航天等部門應用有其它公司產(chǎn)品無法替代的優(yōu)良品質。

Barry Olney

In-Circuit Design Pty Ltd（iCD） 董事總經(jīng)理

AC/DC是世界頂級搖滾樂隊之一。但在本月的專欄中，所要探討的AC/DC是指高速串行鏈路的交流耦合。

圖1：AC/DC在早期演出時激情四射（來源：Kat Benzova）

SERDES串行鏈路用于通過差分信號實現(xiàn)高速高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，并最大限度地減少I / O引腳和互連的數(shù)量。盡管這可以使PCB設計師不必大量并行布線，但實施高速串行鏈路仍具有挑戰(zhàn)。物理布線中沿傳輸路徑的任何小的不連續(xù)性都會明顯降低信號的質量，包括波幅損失、上升時間減少和抖動增加。因此，人們必須能夠在高速通道中識別這些不連續(xù)性，并減輕其影響，提高信號傳輸性能。

通常將電容與2個差分信號線串聯(lián)，以消除IC器件或不同工藝之間的共模壓差?！敖涣黢詈想娙荨被颉案糁绷麟娙荨被旧鲜侵竿患?。與信號路徑串聯(lián)放置的任何電容都傾向于通過信號的高頻交流部分，同時阻隔低頻直流部分。由于這些電容對發(fā)射端和接收端起耦合作用，所以我更喜歡使用術語“交流耦合”。

圖2：轉換到頻域的信號交流分量和直流分量

圖2的上圖中，信號在直流偏移附近波動。對由交流分量和直流分量組成的信號進行傅立葉變換后，直流分量的頻率為0 Hz，交流信號則為其相關諧波頻率（下圖）。

交流耦合是有用的，因為信號的直流分量作為電壓偏移，消除它可以提高信號的分辨率，并可以使不同工藝在沒有電平移位器的情況下能夠進行通信。電平移位器IC則可以提供在不同電壓下運行的元器件之間的接口。然而，電平移位器會引入延遲變化（偏移），增加功耗，并且不適用于低電源電壓。需要交流耦合來保持接收端的正確直流偏置。如果發(fā)送端具有0 V直流偏壓并且與接收端具有相同的工藝，則不必采取交流耦合措施。

交流耦合電容最重要的參數(shù)是與基板有關的相對幾何尺寸。電容與高速布線串聯(lián)，因此電容本體成為傳輸線的一部分。電容的等效串聯(lián)電感（ESL），對于旁路和去耦應用來說是關鍵的，對于交流耦合應用卻是可以忽略不計的，因為傳輸線自身就具有固有電感。而電容器區(qū)域中的外部電介質疊層的厚度、布線寬度、焊盤尺寸、焊料厚度和覆蓋層厚度都會相互影響。

在匹配良好的互連中， AC耦合電容的放置位置并不重要。問題的關鍵在于電容器瞬態(tài)特性設計有多好、反射率有多低，以及是否放置在其他信道不連續(xù)處附近。最好是遠離其他不連續(xù)處。

交流耦合消除了共模電平，并允許接收端設置自己的偏置點。這對于機架到機架系統(tǒng)特別有用，這種系統(tǒng)無法很好地控制共模。交流耦合還具有以下優(yōu)點：

□ VTT參考和GND參考系統(tǒng)可一起工作

□一個SERDES通道可涵蓋多個標準

□較新的（受限供應）器件可與傳統(tǒng)器件一起使用

□熱插拔和防止外部短路的能力

但是，交流耦合電容是高速串行通道中阻抗不連續(xù)的常見原因。通常，使用窄走線寬度和密走線間距來構建100 Ω差分傳輸線對。然而，由于這些窄的走線對被布線到電容器的表面貼裝焊盤，當銅與電容焊盤連接時突然變寬，導致突變的阻抗不連續(xù)。這種不連續(xù)性的影響表現(xiàn)為過大電容量，因為電容的表面貼裝焊盤，就如同底部參考平面的平行板。

為了消除與表面安裝焊盤有關的多余寄生電容，應該去除元件正下方的參考平面的一部分，讓穿過電容器的信號參考更低的平面（更遠的距離），并減小寄生電容，從而使阻抗不匹配最小化。如果線路中存在表面貼裝連接器，這一原則也應該適用（圖3）。

圖3：帶有平面切口和GND過孔（右側）的交流耦合電容（左側）

在左側，有2個參考第二層平面的電容器。而右側的圖片顯示了包含平面切口的優(yōu)化結構，然后這些焊盤參考第三層平面，增加了阻抗。電路板疊層和走線幾何形狀（圖4）的設計可提供100 Ω差分信號。所有的布線和平面層都是1盎司銅。表面貼裝焊盤的寬度設置為20 mil，為了和0402電容的寬度匹配。并且，切口的長度等于2個表面貼裝焊盤的端到端距離。iCD Stackup Planner工具可用于預估信號層到第三層的較低平面的阻抗，第三層取代了第二層。這樣可將阻抗從72 Ω增加到100 Ω。

圖3中的AC耦合電容附近的4個接地導通孔和連接器焊盤上的2個接地導通孔，對于為直流電流提供到較低GND平面的返回路徑是必不可少的。正確放置通孔，將起到使串擾最小化的作用，并減小由于信號偏移而產(chǎn)生的共模電壓。接收端附近的共模轉換會受到一些其他信號源串擾峰值的影響。

圖4：去除電容下方的平面后，阻抗達到了100 Ω（來源：iCD Stackup Planner）

圖5顯示了Ansoft HFSS模擬的TDR阻抗曲線。紅線是在AC耦合電容的表面貼切裝焊盤下沒有平面切口時的高速差分走線的阻抗曲線，其他則是切口設置為不同寬度時的阻抗曲線。

仿真結果表明平面切口的寬度在最小化阻抗不匹配中起著重要作用。沒有平面切口時，電容器焊盤處的阻抗低于75 Ω，但是，這時需要增加到100 Ω以避免反射；當切口的寬度為25密耳時，可以實現(xiàn)最小的阻抗不匹配，因而25 mil的切口寬度是最佳結構。對于大多數(shù)應用， AC耦合電容采用0402封裝，電容值為100 nF就足夠了。

圖5：不同平面切口寬度阻抗曲線的TDR仿真（來源：Altera）

如果您沒有可用的仿真工具，這是一個可以遵循的基本指導原則。如果較低的平面是電源平面或者沒有較低平面，則可以在電容器下方區(qū)域中注入接地填充物，并在每個電容焊盤附近打4個GND導通孔。

系統(tǒng)失敗的原因多種多樣，并且與多個元器件反射的相互作用有關。優(yōu)化是免費的，裕度工程產(chǎn)生的是非經(jīng)常性費用，因此在制造成本方面為零。一旦完成，裕度總是在那里，并且無需成本。

關鍵點

■ 沿傳輸路徑的物理幾何形狀的不連續(xù)性會導致信號幅度損失、上升時間減少和抖動增加，從而降低信號質量；

■ 電容器通常與兩個差分信號走線串聯(lián)，以消除共模壓差；

■交流耦合很有用，因為信號的直流分量可以用作電壓偏移，而去除它可以提高信號的分辨率，并允許具有不同工藝的發(fā)送端/接收端進行通信；

■交流耦合電容最重要的參數(shù)是其環(huán)境的相對幾何尺寸；

■沿傳輸路徑放置AC耦合電容的位置并不重要；

■電容瞬態(tài)特性非常關鍵：反射率有多低，以及是否放置在其他通道不連續(xù)點附近；

■交流耦合消除了共模電平，并允許接收端設置自己的偏置點；

■ 為了消除與表面貼裝焊盤有關的多余寄生電容，可以去除元器件正下方的參考平面的一部分；

■放置于交流耦合電容附近的接地通孔是必要的，它們可為直流電流提供到較低GND平面的返回路徑；

■當電容器下方的切口寬度為25 mil時，可實現(xiàn)最小的阻抗不匹配，因而是最佳結構；

■ 對于大多數(shù)應用， AC耦合電容采用100 nF的0402封裝電容就夠了。

In-Circuit Design是一家專門從事板級模擬的PCB設計服務機構。該公司開發(fā)了iCD Design Integrity軟件，包括iCD Stackup、PDN and CPW Planner。該軟件可以從 www.icd.com.au下載。