PCB板中哪些因素会造成损耗变大

周二, 12 十月 2021 - 14:58

作者：蒋修国，来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/fgzECvaK2R3DJnwqgww3lA">信号完整性</a>

编者注：本文的内容其实比较简洁，前面两个因素结合ADS仿真原理图给大家介绍，有兴趣的也可以照着做做。很多总线都会给处损耗的要求，所以对于设计工程师而言，就需要哪些因素主导着损耗的变化。

我们经常讨论PCB中损耗大小的问题。有的工程师就会问，哪些因为会影响损耗的大小呢？其实，最常见的答案通常会说PCB材料的损耗因子、PCB传输线的长度、铜箔粗糙度，其实答案肯定远不至于此。下面我们分别就相应参数做一些实验给大家介绍下PCB板中哪些因素对传输线损耗有影响。

首先看看介质损耗因子Df对损耗的影响，以Df为变量，分析Df的变化对损耗的影响，下图是分析的原理图：
<img alt="介质损耗因子Df对损耗的影响" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3792073c-d4bd-4590-9fb7-fa5eaf3fd62c" src="/sites/default/files/inline-images/1_215.png" />
仿真对比结果如下，显然，随着PCB介质损耗因子的变大，损耗越来越大：
<img alt="损耗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5b9b1cb9-66ba-4b61-960d-f697ade19809" src="/sites/default/files/inline-images/2_213.png" />
长度也是损耗的主要因素之一，把传输线长度设定为Len变量，分析Len的变化对损耗的影响，下图是分析的原理图：
<img alt="分析的原理图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c24ccdea-49f9-4f72-aa0d-a443f59ef326" src="/sites/default/files/inline-images/3_199.png" />
仿真对比结果如下，显然，随着传输线长度越来越大大，损耗越来越大：
<img alt="损耗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2da34859-afd1-44e9-9e0c-7b7731d036e6" src="/sites/default/files/inline-images/4_175.png" />
铜箔是PCB中常用的导体，其粗糙度的大小也会对损耗造成影响，通过分析，粗糙度的变化对损耗的影响如下图所示：
<img alt="粗糙度的变化对损耗的影响" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="65d2d401-abdc-4a08-9f46-71325b632051" src="/sites/default/files/inline-images/5_142.png" />
从上图中可以看到铜箔粗糙度越大，损耗越大。

这三个影响因子是工程师们很容易能理解。为了减小，工程师们通常想到的方式就是使用低介质损耗角因子、减短传输线长度以及减小铜箔粗糙度。

除了这三个影响因子，还有诸如过孔、传输线对内不等长、串扰等对损耗有影响。如高多层板中的过孔，很多时候都会存在的过孔残桩（Stub），如下图所示：
<img alt="过孔残桩" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6a1f6adf-72d5-4aae-9db7-ac3839bd3dac" src="/sites/default/files/inline-images/6_128.png" />
过孔残桩（Stub）就会导致损耗变大，如下图所示为相同的过孔，没有残桩和有残桩的损耗结果，有残桩的时，会存在一个非常大的谐振点，即在此谐振点处，损耗非常大。
<img alt="过孔残桩" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="df7cce6e-8643-4169-b1be-2bcd52745159" src="/sites/default/files/inline-images/7_114.png" />
并且，随着残桩越来越大，谐振的频率会越来越小（相对应在特定的频率处损耗也会变大）。
<img alt="谐振的频率" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c37b22a2-4140-4fff-8f27-0a187cc968fd" src="/sites/default/files/inline-images/8_88.png" />
在PCB设计中，经常会出现差分对内不等长（偏差skew）的现象，经过实验发现，随着偏差长度的变化，损耗也会不一样。如下图所示，随着偏差长度的越来越长，相同频率点处的损耗也越来越大。

在集成度越来越高的产品设计中，串扰是工程师一直都在担心的问题。因为严重的串扰会导致很多信号完整性的问题，比如对损耗的影响就是其中之一。如下图所示为微带线时，当传输线与传输线的间距变化时的损耗对比结果。
<img alt="损耗对比结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="cb8fb070-ad83-4de6-97c5-d8c2cf7992f3" src="/sites/default/files/inline-images/9_75.png" />
显然，在保持其它设置不变时，间距越大，在相同特定频率点处，传输线的损耗衰减越小。其实串扰对损耗的影响还有一些比较有趣的现象，比如什么时候串扰会造成损耗的谐振点，等等。

以上几个因素对PCB传输线的损耗影响非常大。当然，还有一些其它的因素的实验结果后续有机会再给大家分享。大家也可以在文末留言共同讨论。