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電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類。DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)、外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化并得到用戶的認(rèn)可;但AC/DC的模塊化，因其自身的特性，使得在模塊化的進(jìn)程中遇到較為復(fù)雜的技術(shù)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(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用);二是頻率調(diào)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(fù)載的稱為“整流”。功率由負(fù)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(duì)較大的濾波電容是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UI、CCE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC率波電及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)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(guān)動(dòng)作，使解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求。由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)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(guān)使很多電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)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(dá)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(zhuǎn)換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O(shè)備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為整流，功率流由負(fù)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(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)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(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)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(xiàng)、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(guó)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(yīng)用和好評(píng)。尤其在電站、鐵路、航天等部門應(yīng)用有其它公司產(chǎn)品無法替代的優(yōu)良品質(zhì)。

Barry Olney

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

AC/DC是世界頂級(jí)搖滾樂隊(duì)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(shí)激情四射（來源：Kat Benzova）

SERDES串行鏈路用于通過差分信號(hào)實(shí)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(shè)計(jì)師不必大量并行布線，但實(shí)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(huì)明顯降低信號(hào)的質(zhì)量，包括波幅損失、上升時(shí)間減少和抖動(dòng)增加。因此，人們必須能夠在高速通道中識(shí)別這些不連續(xù)性，并減輕其影響，提高信號(hào)傳輸性能。

通常將電容與2個(gè)差分信號(hào)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隆Ｅc信號(hào)路徑串聯(lián)放置的任何電容都傾向于通過信號(hào)的高頻交流部分，同時(shí)阻隔低頻直流部分。由于這些電容對(duì)發(fā)射端和接收端起耦合作用，所以我更喜歡使用術(shù)語“交流耦合”。

圖2：轉(zhuǎn)換到頻域的信號(hào)交流分量和直流分量

圖2的上圖中，信號(hào)在直流偏移附近波動(dòng)。對(duì)由交流分量和直流分量組成的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換后，直流分量的頻率為0 Hz，交流信號(hào)則為其相關(guān)諧波頻率（下圖）。

交流耦合是有用的，因?yàn)樾盘?hào)的直流分量作為電壓偏移，消除它可以提高信號(hào)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(jìn)行通信。電平移位器IC則可以提供在不同電壓下運(yùn)行的元器件之間的接口。然而，電平移位器會(huì)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(guān)的相對(duì)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(duì)于旁路和去耦應(yīng)用來說是關(guān)鍵的，對(duì)于交流耦合應(yīng)用卻是可以忽略不計(jì)的，因?yàn)閭鬏斁€自身就具有固有電感。而電容器區(qū)域中的外部電介質(zhì)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(huì)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(guān)鍵在于電容器瞬態(tài)特性設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(shè)置自己的偏置點(diǎn)。這對(duì)于機(jī)架到機(jī)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(diǎn)：

□ VTT參考和GND參考系統(tǒng)可一起工作

□一個(gè)SERDES通道可涵蓋多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

□較新的（受限供應(yīng)）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(gòu)建100 Ω差分傳輸線對(duì)。然而，由于這些窄的走線對(duì)被布線到電容器的表面貼裝焊盤，當(dāng)銅與電容焊盤連接時(shí)突然變寬，導(dǎo)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?yàn)殡娙莸谋砻尜N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(guān)的多余寄生電容，應(yīng)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(hào)參考更低的平面（更遠(yuǎn)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(yīng)該適用（圖3）。

圖3：帶有平面切口和GND過孔（右側(cè)）的交流耦合電容（左側(cè)）

在左側(cè)，有2個(gè)參考第二層平面的電容器。而右側(cè)的圖片顯示了包含平面切口的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)可提供100 Ω差分信號(hào)。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(shè)置為20 mil，為了和0402電容的寬度匹配。并且，切口的長(zhǎng)度等于2個(gè)表面貼裝焊盤的端到端距離。iCD Stackup Planner工具可用于預(yù)估信號(hào)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(gè)接地導(dǎo)通孔和連接器焊盤上的2個(gè)接地導(dǎo)通孔，對(duì)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?dāng)_最小化的作用，并減小由于信號(hào)偏移而產(chǎn)生的共模電壓。接收端附近的共模轉(zhuǎn)換會(huì)受到一些其他信號(hào)源串?dāng)_峰值的影響。

圖4：去除電容下方的平面后，阻抗達(dá)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(shí)的高速差分走線的阻抗曲線，其他則是切口設(shè)置為不同寬度時(shí)的阻抗曲線。

仿真結(jié)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(shí)，電容器焊盤處的阻抗低于75 Ω，但是，這時(shí)需要增加到100 Ω以避免反射；當(dāng)切口的寬度為25密耳時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最小的阻抗不匹配，因而25 mil的切口寬度是最佳結(jié)構(gòu)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)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(gè)可以遵循的基本指導(dǎo)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(gè)電容焊盤附近打4個(gè)GND導(dǎo)通孔。

系統(tǒng)失敗的原因多種多樣，并且與多個(gè)元器件反射的相互作用有關(guān)。優(yōu)化是免費(fèi)的，裕度工程產(chǎn)生的是非經(jīng)常性費(fèi)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(guān)鍵點(diǎn)

■ 沿傳輸路徑的物理幾何形狀的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度損失、上升時(shí)間減少和抖動(dòng)增加，從而降低信號(hào)質(zhì)量；

■ 電容器通常與兩個(gè)差分信號(hào)走線串聯(lián)，以消除共模壓差；

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

■交流耦合電容最重要的參數(shù)是其環(huán)境的相對(duì)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(guān)鍵：反射率有多低，以及是否放置在其他通道不連續(xù)點(diǎn)附近；

■交流耦合消除了共模電平，并允許接收端設(shè)置自己的偏置點(diǎn)；

■ 為了消除與表面貼裝焊盤有關(guān)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(dāng)電容器下方的切口寬度為25 mil時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最小的阻抗不匹配，因而是最佳結(jié)構(gòu)；

■ 對(duì)于大多數(shù)應(yīng)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(jí)模擬的PCB設(shè)計(jì)服務(wù)機(jī)構(gòu)。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。