设计和建模配电网络的工程师需要精确的元件级模型，从高频到直流。电源连接器的精确建模可以保证最佳的功率传输，并将电源引起的噪声降至最低。在这篇论文中，其中获得了一个DesignCon2020年最佳论文奖，我们分析了各种电源连接器的频率依赖性电阻和电感以及引脚模式。(以下是工作总结;在这里下载整篇论文)。
随着使用细网格的详细直流求解器的可用性，先前已经分析了电源结构中的直流和低频电流分布，pcb包含带有大量通孔的层过渡。结果表明，对于相同数量的连接通孔，每个通孔的电流强烈依赖于通孔模式。
当两个pcb之间使用电源连接器时，阵列中的连接器引脚的工作原理类似于过孔阵列中的过孔。这表明，每个引脚的总电流和每个引脚内的电流分布可以是连接板几何形状的函数。因此，如果不了解用户选择的周边印刷电路板几何形状，就无法充分分析电源连接器的实际性能。
我们的研究结果对使用电源连接器的设计者有两个重要的结果。1)布局，优化电流分布跨连接器引脚，从而提高电力输送。2)在相关频谱中精确表示频率相关的电阻和电感可用于战略性地优化信号到电源引脚隔离，以减少信号引脚和用于承载电源的引脚之间的噪声耦合，以及不同电源引脚之间潜在的噪声耦合。
仿真结果首先分析了一个隔离电源引脚和引脚对的情况。接下来的分析是在两个pcb之间放置一个电源连接器。选择PCB布局以匹配现有电源连接器设计，因此可以执行模拟与测量相关性。
研究结果回答了以下问题:材料和电源引脚几何形状如何影响频率相关的电阻和电感?材料性质如何改变复杂几何和层状金属中的电流分布?连接到连接器的PCB布局如何影响电源引脚内部和PCB平面上的电流分布、电阻和电感?什么通用连接器引脚几何和引脚分配更适合印刷电路板布局?
此外，我们还探索了使用开引脚场连接器来供电。电路板设计人员经常需要分配信号引脚来携带电流。电源引脚的位置如何影响相邻的信号引脚?连接器位置和引脚分配对电源信号串扰的影响是什么?我们探讨了具有连接器的配电系统的空间方面及其对信号完整性的影响。
我们研究了三种不同的连接器系列:叶片型连接器，主要设计用于传输大电流而不是高速信号，引脚阵列型连接器，可以配置为传输高速信号或中等功率轨道电流，以及混合型连接器，在相同的护罩中具有开放引脚场阵列和功率叶片。
仿真模型
对于高速连接器，全波模型通常以Touchstone格式的S参数形式提供。然而，这些模型通常从10MHz开始，甚至可能没有DC数据点。通过这样做，我们可能会失去频率相关的变化，这是由于较低频率下表皮效应的早期发展造成的。
为了覆盖电力应用所需的重要频率范围，我们从1kHz或更低的数据集开始，并单独获得一个直流点。在低频下，串联路径的电阻和电感占主导地位，我们可以在很大程度上忽略并联路径的电容和电导。我们首先通过分析同轴电缆的电阻和电感来建立模拟数据的基线。电阻和电感的解析值与仿真模型进行了比较。
随后，我们分析了分层金属对电阻和电感的影响。由于各种原因，互连材料很少是纯铜的。对于电缆电线和连接器引脚，芯线往往是钢合金，黄铜或磷青铜。这些材料用于提供机械强度和柔韧性，但导电性能差得多。在高频率下，通过镀上一层较好的导体(铜或金)来补偿。镀金需要底层的镍边界，这也是相对较差的导体，它是铁磁性的。这将导致更强的频率依赖性电阻和电感。
开放式引脚场连接器，混合电源，接地和信号
随着信号引脚数量的不断增加和有限的电路板空间，高速设计人员有时会选择一个开放引脚场连接器，以最大限度地灵活性承载电源和信号。我们探讨了开脚场连接器中通过信号引脚运行功率的影响，并研究了在其邻近信号中引起的串扰。此外，我们分析了电路板是否对功率诱导串扰有影响。
我们探讨了四种不同的引脚分配在一个开放引脚场连接器的电源和信号。分析了每个引脚分配的功率诱导串扰。此外，详细分析了这些串扰产生的原因，以及其对主板的影响。
测量和相关性
用于高速应用的连接器在定制评估板上进行验证和表征。连接器引脚及其与用户几何结构的直接连接是为特定的阻抗、串扰和倾斜目标而设计的。这通常意味着阻抗值接近50欧姆。
由于连接器与连接走线或电缆相比，在物理和电气上往往较短，因此由吸收损耗引起的插入损耗(IL)通常不太重要。连接器本身和评估板的设计，以及最大限度地减少反射损失，串扰和倾斜。这也意味着高速连接器的表征和测量类似于我们测量高速走线和电缆的方式，已经建立了良好的仪表和连接解决方案。从连接器的阻抗剖面和散射参数可以定性地判断连接器的质量。
另一方面，电源连接器是不同的。虽然已经提出了匹配的高阻抗配电网络，但它们不太适合连接应用。今天，大多数电源连接器可以优化为最佳的功率传输，这意味着尽可能低的阻抗。不仅连接器引脚或刀片的阻抗可能与50欧姆相差甚远，更重要的是，用户应用的几何结构往往具有低阻抗，有时是毫欧姆。
图:100Hz - 1mhz范围的测量设置。
对于功率应用，优化的主要参数是电阻和电感;传输线等效电路中的平行路径元件、电容和平行电导通常可以忽略不计。因此，传统的评估板可能不是电源连接器的最佳选择(见图)。应该使用什么样的测量装置和设备来保证从高频到直流的良好测量?由于测量限制，模拟和测量设置可以不同吗?不同的引脚配置是否会给出不同的提取电阻和电感?这些是详细讨论的主题。
关键的外卖
- 仿真工具能够预测低频到高频电阻和电感分布。
- 隔离连接器的测量结果与模拟结果吻合良好。
- 在测量中，双端口shuntthrough连接方案是必须的，而在模拟中，只有在有大模式转换时才需要。
- 另一方面，单端口模拟对必须去嵌入的端口中的微小变化非常敏感。
- 功率诱导的串扰与板和引脚有关。
- 交错的电源/地引脚分配对于信号到电源串扰不是最优的。
- 在这个测试板设置中，电源-地面信号引脚给出最小的诱导串扰。
- 连接器中的串扰因电路板串扰而加重。
- 最小化反射不连续对无共振串扰至关重要。
