电子链路损耗建模研究.pdf

1引言随着电子技术不断发展，电子链路的发展也日趋复杂，涉及到电路板内的链路、电路板与电路板之间的链路，以及经常被忽略的连接器的接插链路等，诸如此类，都存在各种各样的损耗。传统而言考虑损耗最多的是电力电网领域，但随着可穿戴电子技术对低功耗的要求以及高精度检测对低损耗的要求越来越高，在此类产品中准确计算出电子链路的损耗也变得极为重要。在此，从单个电子链路1入手，对链路损耗进行分析建模，再延伸到多电子链路场合，为低功耗设计提供理论依据和数据支撑。2建模原理及方法设计建模的目的就是要建立概念关系、数学和/或计算机模型的过程，是研究系统的重要手段和前提2，本次建模以某设备的多路输出电源作为建模原型，其电路模型框图如图 1 所示。当待测电源工作在负载状态，每个输出电压的链路都有电流产生；电流流经电阻就会产生损耗。每一链路中都存在着线缆电阻 Rc、接插件之间的接触电阻 Rp、线缆焊接到 PCB板上的焊接电阻 Rw以及其他因素引起的损耗（比如杂散电容损耗）。在图 1 中，杂散电容可被理解为像平行板电容器一样，只要在两个导体彼此之间存在压差，则会在空间气体作用下产生电荷移动，出现杂散电容漏流现象。多路输出电源的内部焊接电阻和线缆电阻不是本次建模考虑的因素，先简化掉；根据实际输出点和采集点的选取，部分链路的接插电阻也可以简化掉。把采集点后端的焊接电阻和线缆电阻进行整理，得出如图 2 所示的单个链路简化模型。电子链路损耗建模研究肖峰（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）摘要:为进一步满足可穿戴电子技术对低功耗的要求以及高精度检测对低损耗的极高要求，通过原理剖析与实验研究，设计一种建模方法，尝试对电子链路的损耗情况进行准确计算，并分析影响该类损耗的各种因素，从中定位主要因素并加以利用。建模提供的计算方法能够通过对单个典型电子链路的分析，优化出单个电子链路损耗的计算模型，过程简单、便捷，在此基础上也可得到多个电子链路损耗的计算方法。该建模方法可为相关产品提供良好的设计依据与参考。关键词：电子链路；链路损耗；建模方法；接触电阻；焊接电阻DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.016中图分类号:TP11文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0061-04Research on Modeling of Electronic Link LossXIAO Feng(The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110000,China)Abstract:In order to further meet the requirements of wearable electronic technology for low powerconsumption and high-precision detection for low loss,a modeling method is designed through principleanalysis and experimental research,which attempts to accurately calculate the loss of electronic links,andanalyzes various factors affecting this kind of loss,from which the main factors are located and utilized.The calculation method provided by the modeling method can optimize the calculation model of singleelectronic link loss through the analysis of a single typical electronic link.The process is simple and con-venient,and on this basis,the calculation methods of multiple electronic link losses can also be obtained.The modeling method can provide a good design basis and reference for related products.Key words:Electronic link;Link loss;Modeling method;Contact resistance;Welding resistance作者简介：肖峰（1981），男，辽宁省沈阳市人，硕士，高级工程师，主研方向：集成电路应用开发设计。收稿日期：2023-01-12微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，2023微处理机2023 年由图 2 中即可得出单个电子链路的压降公式：对式中的各个参数的分析如下：1）链路电流 I电源工作在负载情况时，电流 I 可以用钳流表进行检测。建模时应是给定值。2）线缆电阻 Rc线缆选型主要跟电流有关，所通过的电流越大、截面积越大，线缆就越粗。根据导体截面积、导体电阻率及导体长度可以算出线缆电阻3-4，计算公式为：式中，籽 为导线材料的电阻率，单位为(赘 m)；L 为长度，单位为 m；S 为截面积，单位为 m2。可以计算出常见材料的电阻率数据，如表 1 所示。根据链路流经电流大小，在选取线缆时，需要根据线缆的载流能力来适当选择线缆的截面积，以避免出现“小马拉大车”和“大马拉小车”的负载分配问题。理论上的零点(地线)在实际负载工作时会存在地线损耗问题，这在某些系统设计中也是不可忽略的因素。3）接触电阻 Rp接触对导体件呈现的电阻称为接触电阻。通常情况下要求接触电阻在 10耀20m赘 以下。电路板上的接触电阻专门指的是金手指与连接器的接触点在有电流通过时呈现出来的电阻5-6。对于其他电器用品，当插头挤入插座中，或导针与插座间保持接触，也都有接触电阻存在。根据接触电阻的特性，在接插件数据手册中可以查知接触电阻的大小。对应图 2 的模型框图，FLY接插件的接触电阻最大为 10m赘，双排接插件的接触电阻最大为 10m赘，统一取中间值 5m赘。4）焊接电阻 Rw线缆被焊接到 PCB 板时，焊接电阻主要体现在线缆与 PCB 板的焊点处7。焊点必须具备良好的导电性能才能保证电路的互联。良好的焊点一般要求焊接电阻在 1耀10m赘 之间。如果焊点有空洞或虚焊，焊接电阻就会增大，在工作时也会使焊点的电压降增大，导致焊点发热严重，影响电路的正常工作，发生虚焊甚至影响电路的连通。此处，焊接电阻 Rw取中间值 5m赘。5）杂散电容损耗 Uo系统工作时，导体间会存在杂散电容漏流损耗。电容计算公式为：其中，d 代表电极板的间距；S 代表电极板的正对面积；着 代表真空介电常数；k 为介质的相对介电常数，与电极板间的填充物质有关。通常认为空气的介电常数为 1。根据系统设计实际情况，d 取值 1mm，S 取值 7.5mm2，计算出 C 值为 0.66pF。如此小的电容漏流可以忽略不计，所以公式(1)可进一步简化为：综上所述，至此即可通过不同途径获得电子链图 2原型电路简化模型框图电源接插件接触电阻Rp接插件焊接电阻Rw1连接线缆电阻Rc1线缆到控制板的焊接电阻Rw2地线损耗Rc2负载RL输出点采集点杂散电容损耗Uo图 1原型电路模型框图接插件接触电阻Rp1接插件焊接电阻Rw2连接线缆电阻Rc1线缆到控制板的焊接电阻Rw3负载RL及焊接电阻Rw7负载到GND线缆电阻Rc5及焊接电阻Rw8杂散电容损耗Uo电源输出点采集点横向连接线缆电阻Rw2及焊接电阻Rw4电源内部焊接电阻Rw1及线缆电阻Rc1(1)pw1c1w2c2oc1c2pw1w2ocpwocpwoUIRIRIRIRIRUI RRIRI RRUIRIRIRUI RRRU(2)RL S电阻率/(赘 cm)0.9580材料铜银锌铁铅汞0.05900.09780.20600.01750.0160铝0.0283金0.0220表 1线缆材料常见电阻率(3)4SCkd(4)cpwUI RRR窑62窑4 期路压降公式中各个参数值以满足设计与应用需要。3实验与数据按照单个链路简化模型，根据公式(2)计算出每一路线缆的电阻值 Rc。焊接电阻 Rw的经验值在 1耀10m赘 之间，取中间值 5m赘。因为线缆两端有两个焊点，所以焊接电阻 Rw最后取值为 10m赘。接触电阻 Rp根据实际测量点情况取值，具体如表 2 所示。线缆电阻Rc/赘接触电阻Rp/赘0.016330.00500序号 测量对象1238910+5VMB0.009570.004780.009100.009330.008280.000000.000000.000000.000000.00500+2V+3V3+5V+11V+12V焊接电阻Rw/赘0.010000.010000.010000.010000.010000.01000(Rc+Rp+Rw)/赘 实际电流/A链路电阻压降/V链路地线压降/V链路理论压降/V0.019571.8300.03580.03630.07210.014787.2100.10660.03630.14290.019104.1900.08000.04460.12460.019330.0790.00150.03570.03720.023283.3500.07800.01630.09430.031330.2560.00800.01630.024340.014700.00000-5V0.010000.024700.2660.00660.04460.05125+12V0.009800.000000.010000.019801.4600.02890.04460.07356-12V0.009330.000000.010000.019330.8830.01710.04460.06177+5C0.009570.000000.010000.019570.0850.00170.03570.0374表 2链路理论压降数据表其中，前 8 路电压的测量点是在接插件后端，所以此处忽略了接触电阻；只有后 2 路电压的测量点是在接插件上，接触电阻 Rp有值。地线损耗为实测值，检测地线两端电压，具体测量值如表 3 所示。链路实际压降值为模型框图中的输出点电压值减去采集点处电压值，具体如表 4 所示。由表 3 可以看出，链路通过较大电流时，链路损耗是一个不可忽略的当量。表 4 中也给出了电子链路的理论压降值与其进行对比。可以看出，链路的理论压降值与实际压降值基本一致，由于存在地线损耗带来的偏差而略有差异。因此，电子链路损耗问题，完全可以用理论基础进行设计。4不可忽略的地线损耗本次建模的多路输出电压中，+5V、-5V、+12V和-12V 四路电压属于同一变压器输出,模型框图如图 3 所示。为了更加直观地说明地线损耗的重要性，选取不同横截面积的地线进行实验分析8。地线 GND 是理论上的电压零点，在其线径足够大的情况下，理论压降应为零。建模中的待测电压+5V、-5V、+12V 和-12V 是由同一个变压器输出的，即共地。地线 GND链路电阻值 Rc如表 5 所示。由图 3 可知，链路中不存在接触电阻和焊接电阻，即 Rp=0，Rw=0，Rc按表 5 取值，带入公式(4)，计算出理论压降 U1=4.19伊(0.01342+0+0)=0.0562V；U2=4.19伊(0.00268+0+0)=0.0112V。实际压降值为电源输出点电压采集点电压5.02564.9809序号 测量对象1238910+5VMB2.10443.75125.123210.98311.9192.03763.65585.022110.93511.831+2V+3V3+5V+11V+12V链路实际压降0.04470.04800.08800.06680.09540.10114-5.4428-5.4858-5V0.04305+12V12.27512.2270.04806-12V-12.301-12.3400.03907+5C5.04284.99770.0451表 3链路实际压降相关数据单位：V理论压降实际压降0.02430.0447序号 测量对象1238910+5VMB0.07210.14290.12460.03720.09430.06680.09540.10110.04800.0880+2V+3V3+5V+11V+12V40.05120.0430-5V5+12V0.07350.04806-12V0.06170.03907+5C0.03740.0451表 4链路压降值理论和实际数据对比单位：V图 3变压器模型框图-5V+12V-12V同一个变压器输出+5VGND负载电流 4.19A负载电流 0.27A负载电流 1.46A负载电流 0.88AA点肖峰：电子链路损耗建模研究窑63窑微处理机2023 年测量地线两端电压得到，具体值如表 6。从表中可以看出，此四路电压在只连接一根地线且工作在负载状态之时，地线的线缆压降已经很大了，这在设计过程中是不可忽略的。除此之外，理论压降值与实际压降值基本一致，再次验证了链路损耗问题可以以理论基础进行设计。负载工作时，地线的压降损耗由负载电流较大的+5V 一路决定。地线 GND 线缆压降为 0.0595V，理论上电压零点处的电压不再是零，而是 0.0595V。此时其他三路电压的理论零点也为 0.0595V，即-5V、+12V 和-12V 的电压值就此减少了 0.0595V，这在实际的设计中也是不允许的，是高精度检测系统设计中一个不可忽略的因素。5结束语本设计针对单个电子链路的损耗进行分析建模，为低功耗设计提供了设计依据。在系统设计时，线缆的选取应符合实际线缆的载流能力。在系统的链路中都存在线缆电阻、接插件之间接触电阻、线缆焊接到 PCB 板上的焊接电阻，当有电流流经这些电阻时，就会产生链路损耗，当电流较大时，链路损耗便是一个不可忽略的当量。电源线的长度也决定着地线的长度，在系统运行期间造成地线损耗。诸如此类在系统设计中不可忽略的因素，通过本建模方法，在实际设计中应得到更为合理的考虑与处理。参考文献：1柴宏伟.面向电子装备的快速仿真建模系统设计D.西安:西安电子科技大学,2021.CHAI Hongwei.Design of a rapid simulation modeling sys-tem for electronic equipmentD.Xian:Xidian University,2021.2杭丽君,闫东,胡家兵,等.电力电子系统建模关键技术综述及展望J.中国电机工程学报,2021,41(9):2966-2979.HANG Lijun,YAN Dong,HU Jiabing,et al.Review andprospect of key modeling technologies for power electronicssystemJ.Proceeding of the CSEE,2021,41(9):2966-2979.3李孔修.线缆截面选择新法J.福州大学学报(自然科学版),1999,27(3):125-128.LI Kongxiu.A new way of choosing wire cross sectionJ.Journal of Fuzhou University(Natural Science),1999,27(3):125-128.4张灿,王芳,黄敏昌.电磁兼容测试中线缆损耗测量方法比较J.安全与电磁兼容,2016(4):31-33.ZHANG Chan,WANG Fang,HUANG Minchang.Compari-son of cable loss measurement in EMC 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