阻抗与电阻:PCB布局中哪个最重要?

2022年5月22日

关键的外卖

了解阻抗和电阻的区别。
了解阻抗在PCB中是如何产生的，以及它会影响哪些工作特性。
有效地为您的电路板布局使用阻抗和电阻。

阻抗vs.电阻

哪一个是第一个?

所有电子元件都有电阻和电抗，它们共同构成阻抗。尽管我们愿意认为PCB上的导电迹线是零电阻和零电抗的完美导体，但事实并非如此。就像PCB上的组件一样，构成PCB的材料使其具有一定的电阻和电抗，这将决定信号的行为。设计人员在两个领域(波传播和功率)的一个目标是设计电路板以达到阻抗或电阻目标，因为两者都会受到特定布局选择的影响。在本文中，我们将研究阻抗与电阻及其对PCB布局的影响。

阻抗vs.电阻

那么，如何比较阻抗和电阻呢?阻力是学生在工程学入门课程中首先了解的基本量。电阻测量电路或元件中电流流动的阻力，测量单位为欧姆(Ω)。你会发现电阻适用于交流和直流电路;它的作用是耗散电能，通过这种方式，它将电路中的电流限制在某个特定的值。在其最简单的形式中，材料的电阻由以下公式给出:

阻力方程)

这里，ρ是电阻率，L是电流流过的长度，A是材料的横截面积。

阻抗描述电路抵抗交流电的能力。阻抗由两部分组成:电阻和电抗。在基本的交流分析中，电阻定义了电路的功耗，而电抗定义了交流信号振荡时电场和磁场如何相互作用，因此电抗是频率的函数。电感和电容器是用于引入电抗的基本组件，但PCB上的导体也会有一些电抗。

Z = R + jX

根据电阻(R)和电抗(X)定义阻抗

阻抗用符号Z表示，测量单位为欧姆(Ω)。它是一个复数，电阻是实分量，电抗是虚分量。阻抗也可以用欧姆定律表示为电压与电流的比率:

欧姆定律

如果你熟悉复数，你就会知道阻抗有大小和相位。物理上，阻抗的相位决定了电压和电流之间的相位差。这应该说明了阻抗的双重作用:改变给定电压下电流的大小，以及在电流和电压之间产生相位差。

在PCB中，电子元件的阻抗用于多个电路中，例如阻抗匹配、滤波器设计、ESD保护和抑制瞬态振铃。然而，布局本身的阻抗也会受到PCB布局中导体的排列和用于构建电路板的材料的影响。

PCB布局中的电阻和阻抗

由于所有元件和导电元件在一个PCB布局会有一些阻力和抗拒，在某些情况下，设计师需要预测这些并在创建设计时考虑到它们。

PCB布局设计过程大致可以分为以下几个活动:

☐选材任务
- ☐选择图层材质
- ☐定义层厚度
- ☐选择阻焊剂类型
☐布置的任务
- ☐决定在哪里放置组件
- ☐确定钻孔和过孔的位置
☐路由任务
- ☐设置微量铜权重
- ☐设置跟踪长度和宽度
- ☐定义跟踪路径
- ☐定义via类型
☐设计检查
- ☐DFM合规
- ☐生产分析
- ☐热分析

在这些任务中，阻抗将受到材料选择的影响，结果将用于路由。这主要出现在两种类型的设计中:开关电源系统和高速/高频设计。在电力系统和高速系统中，组件的放置也会产生PCB布局中的寄生，这将产生不希望的信号行为，因为寄生改变了电路或元件的阻抗从其目标值。此外，电阻在大功率直流系统中也很重要，因为这些系统将由于导体电阻而经历功率损失，这也是不可取的。

高速/高频

在这些类型的设计中，互连被设计为所需的阻抗值，因为信号行为将受到PCB布局中走线的电感和电容的影响。然而，这些系统的迹线确实有一些电阻，但在中频时可以忽略不计，因为迹线电阻将远小于1欧姆。

跟踪阻力	由迹线的横截面积定义。
跟踪电感	由沿迹线和通过其地平面以及迹线宽度的当前环路区域定义。
跟踪电容	由痕迹的宽度，到地平面的距离，以及任何材料的介电常数来定义。

由于PCB中迹线设计的目标通常是接近阻抗目标，因此设计人员将需要使用一些方程来计算迹线或a的阻抗传输线阻抗计算器以便在PCB布局中适当地调整迹线的大小。如果迹线不用于路由高速信号或射频信号，那么我们就不太担心这一点，而是更多地关注轻松路由电路板和连接组件所需的迹线的大小。

电力系统

在电力系统中，我们希望将电力输送到一个组件或另一个系统，而不会产生过多的噪声。我们还希望确保，在为电源系统保存组件的PCB中，有最小的功率损耗，并且系统可以有效地提供所需的功率水平。电力系统的另一个方面是它们的噪声耦合;系统应该在系统的不同部分之间传递最小数量的噪声。最后一点在转换监管机构时尤其重要，也可能存在问题。

一般来说，阻抗和电阻影响功率传递的两个方面(直流和交流操作)不同，总结如下。

直流供电	平面层或电源轨道的电阻将决定沿导体的任何损失(通过红外下降)。
交流供电	的生产阻抗将决定系统能提供电力的最大频率。