电源连接器中的电流分布、电阻和电感
设计和建模配电网络的工程师需要精确的元器件级模型，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和最小化功率引起的噪声。在这篇论文中，它获得了DesignCon2020年最佳论文奖，我们分析了各种电源连接器的频率相关电阻和电感以及引脚模式。(以下是工作总结;在这里下载全文.）
随着使用精细网格的详细直流求解器的可用性，电源结构中的直流和低频电流分布先前已被分析过含有大量过孔的层转换的pcb。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部的电流分布可以是连接板中几何形状的函数。因此，在不了解用户选择的周围印刷电路板几何形状的情况下，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师有两个重要的结果。1)优化跨连接器引脚的电流分布，从而改善功率传输的布局。2)相关频谱中频率相关电阻和电感的精确表示可用于战略性地优化信号-功率引脚隔离，以减少信号引脚与用于承载功率的引脚之间的噪声耦合以及不同功率引脚之间噪声的潜在耦合。
仿真结果首先分析了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布局以匹配现有的电源连接器设计，因此可以进行仿真与测量相关。
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?材料特性如何改变复杂几何形状和层状金属中的电流分布?连接在连接器上的PCB的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?对于印刷电路板布局，什么通用连接器引脚几何形状和引脚分配更好?
此外，我们还探索了使用开放式引脚场连接器来供电。电路板设计者经常需要分配信号引脚来承载电流。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?我们探讨了带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:刀片型连接器，主要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电源轨道电流;混合型连接器，具有开放式引脚场阵列和电源叶片在同一护罩中。
仿真模型
对于高速连接器，全波模型通常以Touchstone格式的S参数提供。然而，这些型号通常从10MHz开始，甚至可能没有直流数据点。通过这样做，我们可能会失去频率相关的变化，这种变化是由于在较低频率下皮肤效应的早期发展而发生的。
为了覆盖电源应用所需的重要频率范围，我们以1kHz或更低的频率启动数据集，并单独获得直流点。在低频时，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仿真数据的基线。将电阻和电感的解析值与仿真模型进行了比较。
随后，我们分析了层状金属对电阻和电感的影响。由于各种原因，互连材料很少使用纯铜。对于电缆电线和连接器引脚，芯往往是钢合金，黄铜或磷青铜。这些材料用于提供机械强度和柔韧性，但它们是较差的导电体。在高频情况下，这可以通过镀上一层较好的导体(铜或金)来补偿。镀金需要一个底层的镍边界，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相关电阻和电感。
开放引脚场连接器，混合电源，接地和信号
随着信号引脚数的不断增加和电路板空间的有限，高速设计人员有时会选择开放式引脚场连接器，以获得最大的灵活性，同时承载电源和信号。我们探讨了通过开放引脚场连接器中信号引脚的运行功率的影响，并研究了在其相邻信号中引起的串扰。此外，我们还分析了电路板是否对功率串扰有任何影响。
我们探索了四种不同的引脚分配在一个开放的引脚场连接器电源和信号。分析了各引脚分配引起的功率串扰。此外，还进行了详细的分析，以了解这些串扰的原因，以及它对电路板的影响。
测量与相关
用于高速应用的连接器在定制评估板中进行了验证和表征。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。
由于吸收损耗引起的插入损耗(IL)通常不太重要，因为与连接走线或电缆相比，连接器往往在物理上和电上都很短。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，后者具有完善的仪器和连接解决方案。从连接器的阻抗分布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，但它们并不适合于连接应用。今天，大多数电源连接器都可以优化为最佳的功率传输，这意味着尽可能低的阻抗。不仅连接器引脚或叶片的阻抗可能与50欧姆相差很大，更重要的是，用户应用的几何形状往往具有低阻抗，有时为百万欧姆。
图:100Hz - 1mhz范围的测量设置。
对于功率应用，需要优化的主要参数是电阻和电感;传输线等效电路的并联元件、电容和并联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，模拟和测量设置是否会有所不同?不同的引脚配置是否会产生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的电阻和电感分布。
- 隔离连接器的测量结果与模拟结果吻合良好。
- 在测量中，双端口直通连接方案是强制性的，而在模拟中，只有在有大的模式转换时才需要。
- 另一方面，单端口模拟对于必须去嵌入的端口的微小变化非常敏感。
- 功率诱发串扰是板和引脚相关的。
- 交错的电源/地引脚分配对于信号到电源串扰来说不是最佳的。
- 在这个测试板设置中，电源-地信号引脚给出最小的感应串扰。
- 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于无谐振串扰至关重要。
