理解阻抗及其在 PCB 設計中的角色
1 分鐘
阻抗是電機工程與電路設計中的基本概念。今天我們將概述阻抗,說明阻抗公式,介紹阻抗計算器等工具,並解釋阻抗如何影響 PCB 設計中的焊劑與元件選擇等因素。
什麼是阻抗?
阻抗(Z)代表交流電路中對電流流動的總阻礙,由電阻(R)與電抗(X)組成。電阻直接阻礙電流,電抗則儲存與釋放能量,兩者共同於交流系統中阻礙電流。
阻抗公式為:
Z = R + jX
其中:
R 為電阻分量
X 為電抗分量
j 為虛數單位
電阻為固定值,電抗則隨電容與電感的頻率而變,因此交流電路中的阻抗與頻率相關。阻抗計算器可根據給定頻率下的 R 與 X 值計算阻抗。
阻抗公式顯示阻抗具有大小與相位兩部分。大小(|Z|)計算如下:
|Z| = √(R² + X²)
相位角(θ)為:
θ = arctan(X/R)
此電壓與電流間的相位關係在交流供電系統中十分重要,變壓器與馬達等元件需正確的相位角,相位亦會影響功率因數,因此大小與相位皆為阻抗的關鍵考量。
集膚效應
在高頻下,交流電傾向於主要沿導體外表面流動,這一現象稱為集膚效應,使電子宛如在表面附近起舞,導致有效電阻增加,因電流被限制在靠近表面的較小截面積內。
集膚效應源於導線電感產生電抗,阻礙電流向中心流動。Litz 線股可減輕如射頻變壓器等電路中的集膚效應問題。
阻抗匹配
為最大化功率傳輸,採用共軛匹配,使負載阻抗等於源阻抗的複共軛。例如,若源阻抗為 50 + j25 Ω,則負載應為 50 - j25 Ω。
被動匹配網路可利用電容與電感設計以轉換阻抗,確保射頻與通信系統中因不匹配造成的反射最小。
理解阻抗概念對於在各種應用與頻率下有效優化電子系統設計至關重要。
阻抗的重要性
交流電路必須考量阻抗才能正常運作。若電路以錯誤的阻抗位準驅動,可能發生以下問題:
- 功率傳輸效率低:當源與負載阻抗相等時功率傳輸最大,否則會產生反射。
- 不穩定:回授電路若匹配不當可能變得不穩定,導致非預期振盪。
- 損壞:以高阻抗源驅動低阻抗負載可能因過大電流而損壞元件。
- 系統中全程正確的阻抗匹配至關重要,理解個別元件角色有助於優化阻抗。
電容與電感
阻抗中的電抗(X)部分來自電容與電感。電容電抗(XC)阻礙電壓變化,電感電抗(XL)阻礙電流變化。
XC 與 XL 計算如下:
XC = 1/(2πfC)
XL = 2πfL
其中 f 為頻率,C 為電容,L 為電感。
公式顯示 XC 隨 f 增加而減小,XL 則隨 f 增加而增大。此頻率響應使電容與電感可濾除不同交流頻率,但也意味阻抗隨頻率變化——電路設計者必須考量此因素。
電阻
電阻提供阻抗中固定的電阻(R)部分。電阻元件包括:
- 功率電阻:提供固定電阻以控制電壓/電流位準、限流與分配功率,常見於電源供應器。
- 分流電阻:用於電流監測應用,與負載串聯以量測電流。
- 終端電阻:用於匹配阻抗並吸收反射波,常用於傳輸線末端。
- 分壓器:利用串聯電阻網路分壓,可從較高供應電壓取得較低電壓。
- 上拉/下拉電阻:用於邏輯電路中,當輸入浮接時建立預設高/低電壓。
電阻是管理電子系統與 PCB 阻抗位準的基礎。
利用計算器分析阻抗
為正確設計與排除交流電路故障,工程師常需分析阻抗。這可透過應用阻抗公式的計算器完成。這些工具可輸入給定頻率下的電阻、感抗與容抗值,再計算總阻抗。
應用包括:
- 設計放大器與通信系統的阻抗匹配網路。
- 分析濾波器阻抗特性以選擇適當元件。
- 選擇纜線時決定傳輸線特性阻抗。
- 藉由評估驅動器與負載阻抗交互作用來建模喇叭分頻器。
- 排除因阻抗不匹配造成的失真問題。
線上計算器可快速進行阻抗分析。試算表工具亦可用於更複雜網路的進階建模。正確應用阻抗分析可確保電路性能最佳。
阻抗於 PCB 設計中的角色
回顧阻抗基礎後,我們來探討其如何影響 PCB 設計。兩大因素為元件選擇與焊點連接。
元件選擇
系統阻抗受個別元件選擇影響。電阻應具備緊密容差以確保阻抗網路可靠。電容與電感須具備濾波應用所需的正確電抗特性。
元件封裝亦影響 PCB 阻抗。穿孔元件引腳電感較高,常使設計者選用表面黏著元件。但SMD電感與電容在高頻下固有電感較低,提供的電抗較少。
亦必須使用額定操作電壓足夠的元件。過高電壓會改變電阻與電抗值。元件選擇是建立具備正確阻抗特性系統的權衡藝術。
阻抗橋接
阻抗橋接是量測未知阻抗的有用技術。將未知阻抗與已知複數阻抗並聯,透過精準量測已知負載兩端電壓,即可有效計算未知阻抗特性,同時得知其電阻與電抗分量。
阻抗頻譜
此技術量測阻抗於頻率範圍內的變化,可用於分析材料特性。透過掃描不同頻率並量測阻抗大小與相位,可決定待測材料特性。
應用包括腐蝕檢測、塗層分析、半導體、電池研究及生物細胞研究。頻率相依響應提供簡單直流電阻量測無法獲得的資訊。
傳輸線阻抗
傳輸線阻抗決定訊號如何沿線傳播,其計算基於單位長度電阻(R)、單位長度電感(L)與單位長度電容(C)。特性阻抗公式為:
Z₀ = √(R + jωL) / (G + jωC)
其中 ω 為角頻率,G 為單位長度電導。
受控阻抗傳輸線有助於最小化高頻應用中的反射與訊號衰減。正確的 PCB 佈線是達成所需傳輸線阻抗的關鍵。
焊點
不良焊點會增加連接電阻,進而增加阻抗。適當的焊劑可確保良好潤濕與低電阻焊點。焊劑可化學清除表面氧化物以使焊料合金結合。
冷焊、裂縫或孔洞等焊接問題會增加阻抗並可能導致:
- 因電阻增加而導致功耗與發熱增加
- 因時變或機械應力造成電路不穩定
- 難以隔離的間歇性故障
一致的焊接品質需仔細的元件準備、使用正確焊料,並於組裝期間遵循熱與處理最佳實務。自動化焊接與檢測有助於消除焊點問題造成的阻抗變異。
結論
總結而言,本文全面概述了阻抗及其對電機工程師的關鍵考量。我們深入探討了阻抗公式、電抗、電阻、分析工具,並探討了元件與焊點等因素如何影響整體系統阻抗。扎實掌握阻抗對於確保印刷電路板(PCB)於各種應用中的可靠性能無疑至關重要。
持續學習
PCB 基礎 2:設計準則
歡迎來到我們 PCB 基礎系列第二篇文章。本文將深入探討實現最佳 PCB 設計性能與功能的關鍵設計準則。不論您是電子愛好者、業餘玩家、工程師、學生或業界專業人士,掌握這些準則都能讓您打造出高品質的 PCB 設計。 讓我們與 JLCPCB 一起深入細節! 元件擺放: 有效的元件擺放對於 PCB 的最佳性能至關重要,它影響訊號完整性、熱管理與可製造性。 討論元件擺放時,請考量與熱源、訊號路徑及連接器的距離等關鍵因素。 強調類比與數位元件分離的重要性,以降低干擾;並指出將高速元件靠近訊號源擺放,可減少訊號衰減。 為降低訊號衰減,應縮短高速元件與訊號源之間的走線長度;較短的走線可減輕寄生元件造成的訊號損失、反射與失真。 將高速元件靠近訊號源擺放,可控制阻抗並降低串擾與雜訊耦合,從而提升訊號品質並降低訊號損壞的風險。 走線佈線: 正確的走線佈線對訊號完整性、EMI/EMC 合規性及阻抗控制至關重要。 為保持訊號完整性,必須透過正確的走線佈線技術將訊號反射降至最低。訊號反射會在傳輸線阻抗突然變化時發生,導致訊號部分反射,進而造成訊號劣化與時序錯誤。若要減少反射,應使用受控阻抗走線,使傳輸線阻抗與源端及負載匹配......
理解阻抗及其在 PCB 設計中的角色
阻抗是電機工程與電路設計中的基本概念。今天我們將概述阻抗,說明阻抗公式,介紹阻抗計算器等工具,並解釋阻抗如何影響 PCB 設計中的焊劑與元件選擇等因素。 什麼是阻抗? 阻抗(Z)代表交流電路中對電流流動的總阻礙,由電阻(R)與電抗(X)組成。電阻直接阻礙電流,電抗則儲存與釋放能量,兩者共同於交流系統中阻礙電流。 阻抗公式為: Z = R + jX 其中: R 為電阻分量 X 為電抗分量 j 為虛數單位 電阻為固定值,電抗則隨電容與電感的頻率而變,因此交流電路中的阻抗與頻率相關。阻抗計算器可根據給定頻率下的 R 與 X 值計算阻抗。 阻抗公式顯示阻抗具有大小與相位兩部分。大小(|Z|)計算如下: |Z| = √(R² + X²) 相位角(θ)為: θ = arctan(X/R) 此電壓與電流間的相位關係在交流供電系統中十分重要,變壓器與馬達等元件需正確的相位角,相位亦會影響功率因數,因此大小與相位皆為阻抗的關鍵考量。 集膚效應 在高頻下,交流電傾向於主要沿導體外表面流動,這一現象稱為集膚效應,使電子宛如在表面附近起舞,導致有效電阻增加,因電流被限制在靠近表面的較小截面積內。 集膚效應源於導線電感產生......
關於 PCB 絲網印刷你應該知道的事
印刷電路板(PCB)表面的印刷文字、符號、標記與圖像層,稱為 PCB 絲印。作為 PCB 製程的一環,它將特定油墨或類似油墨的物質印刷在 PCB 表面,以提供元件位置、組裝指示與識別資訊。 在接下來的章節中,我們將更詳細說明絲印於 PCB 的優點,同時介紹三種製作絲印的方法及其各自的優缺點。 PCB 絲印印在電路層與防焊層之上,亦稱為元件面或頂面。特別的是,我們可在絲印層加入各種資訊,包括警告標誌、組裝指示、企業或品牌標誌、元件名稱、標記等。 完成防焊層與電路層後,我們在生產流程的後段進行 PCB 絲網印刷。利用細網版或模板將絲印油墨塗佈於 PCB 表面,以產生標記與資訊。為了在 PCB 背景上提供良好可視性,通常使用黑白等對比色作為絲印油墨。 · 採用絲印 PCB 列印的優點 人們選擇在 PCB 上進行絲印印刷主要有 7 個原因: 1. 元件識別 2. 組裝指引 3. 電路理解 4. 品牌與標誌擺放 5. 美觀 6. 合規與認證 7. 文件與參考 以元件識別為例,絲印透過印刷提供視覺指引,讓人快速辨認JLCPCB 元件。在實際應用中,它能作為不同元件的標誌、名稱或標籤。組裝、測試或維修時,這些識......
選擇最佳 PCB 色彩——提升美觀與功能性
您想設計一款兼具卓越性能與美觀外觀的電子裝置嗎?PCB 防焊層的顏色在實現美學與功能性方面扮演著重要角色。您選擇的 PCB 防焊層顏色能展現電子裝置的獨特風格。不論是鮮豔的紅色、時尚的黑色,還是經典的綠色,顏色都能為設計定調。它能吸引目光、營造良好的第一印象,並提升整體產品體驗。選擇防焊層顏色時,務必考量目標客群、品牌形象與產品設計美學等因素,以打造視覺上吸引人的裝置。 由 JLCPCB 製造的 PCB PCB 顏色種類 常見顏色包括綠色、藍色、紅色、黑色、白色、紫色與黃色。 綠色 PCB 綠色是電路板最常見的顏色,尤其在傳統 FR-4 玻璃纖維板上。綠色 PCB 具備優異的可視性與對比度,讓人眼更容易辨識電路路徑與元件。它們通常具有良好的耐熱與耐濕性,且生產成本相對較低。 藍色 PCB 在特定工業與通訊領域較為常見。藍色具有良好的對比度,便於辨識元件與線路。 缺點: 1. 由於藍色 PCB 的產量不如綠色 PCB 高,小批量生產時價格可能略高。 2. 雖然藍色提供良好對比度,但在較暗環境中檢查焊點可能不如綠色 PCB 容易。 黃色 PCB 黃色 PCB 通常具備優異的散熱性能,有助於熱量逸散。這......
發光二極體(LED)
發光二極體(LED)已成為現代電子產品的基石,從家用照明到複雜的工業系統皆可見其身影。將 LED 整合進印刷電路板(PCB)對各種應用至關重要,可提供高效、多功能且可靠的照明解決方案。本文探討 LED 的基本原理、歷史、類型、應用,以及在設計含 LED 的 PCB 時的關鍵考量。 什麼是 LED? LED 是一種半導體元件,當電流通過時會發光。與傳統白熾燈泡不同,LED 無需加熱燈絲來產生光,而是利用電致發光:電子與電洞在元件內部復合,以光子形式釋放能量。這種方式讓 LED 更高效且發熱更少。 LED 的歷史 電致發光的概念最早由 Marconi Labs 的 H.J. Round 於 1907 年發現。然而,直到 1962 年,Nick Holonyak Jr. 在通用電氣工作時才開發出第一顆實用的可見光 LED。初期 LED 僅有紅色,經過數十年進展,已擴展至綠、藍、白光 LED,為廣泛應用鋪路。 LED 的類型 1. 標準 LED: 常見於指示燈與顯示器,提供多種顏色與尺寸。 2. 高亮度 LED: 用於需要更強光的應用,如手電筒與車用照明。 3. RGB LED: 透過紅、綠、藍光混合產生......
在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄埠的重要性
在 PCB 設計領域,優化空間與降低成本始終是首要任務。將 In-System Programming(ISP)連接埠直接整合到 PCB 上,是達成這些目標的有效方法之一。ISP 連接埠可在無須常駐燒錄元件的情況下,直接對板上的微控制器或其他可程式化裝置進行燒錄。本文將說明在 PCB 設計中使用 ISP 燒錄連接埠的重要性,並探討其如何節省成本與縮小板面積。 什麼是 ISP 燒錄連接埠? ISP(In-System Programming)連接埠是一組位於 PCB 上的引腳,可直接在板上對微控制器及其他可程式化裝置進行燒錄。這種方式無須在初次燒錄後仍將專用燒錄硬體留在 PCB 上。ISP 連接埠通常採用標準引腳排列,可與多種燒錄工具相容。 ISP 燒錄連接埠範例 使用 ISP 燒錄連接埠的優點 1. 節省成本:透過 ISP 連接埠,可省去專用燒錄連接器及相關元件,降低整體 BOM(物料清單)成本。 2. 縮小板面積:移除常駐燒錄元件後,可釋放寶貴的 PCB 空間,實現更緊湊的設計。 3. 彈性高:ISP 連接埠提供彈性的燒錄與除錯方案,便於在開發過程中更新韌體或進行修改。 4. 簡化設計:導入 I......