Was ist Streuinduktivität?

Das obige Bild zeigt eine Leiterplatte mit zwei großen Kondensatoren, die als Ausgangskondensatoren für ein VRM verwendet werden könnten, welches dann Gleichstrom an einen integrierten Schaltkreis liefern kann. Diese Platine verbirgt jedoch eine wichtige Quelle der Induktivität: die Stromebene und die Stromschienen.

Wenn Sie mit einer hochgeschwindigkeitsdigitalen Komponente arbeiten, gibt es einige einfache Regeln zur Stromintegrität, die befolgt werden sollten. Die Verwendung von Ebenenpaaren, Entkopplungskondensatoren und Bypass-Kondensatoren sind der Ausgangspunkt für das Design des PDN in Ihrer Leiterplatte, um die erforderliche Impedanz zu haben. Es gibt eine Größe, die manchmal beim Aufbau einer PDN-Impedanzsimulation ignoriert wird: die Streuinduktivität Ihres Ebenenpaares. Diese Größe spielt eine trügerisch einfache Rolle bei der Bestimmung der Induktivität, die in den Eingangsstrompin einer Komponente führt.

Was ist Streuinduktivität?

Alle leitfähigen Elemente auf Ihrer Leiterplatte können einige parasitäre Elemente aufweisen, einschließlich Ebenenpaaren. Das, worum wir uns normalerweise kümmern, ist die Ebenenkapazität, die zusätzliche Kapazität bietet, um Ihr PDN bei hohen Frequenzen zu entkoppeln. In einer Gleichstrom-PDN-Simulation betrachten wir die Gleichstromleitfähigkeit, um Leistungsverluste zu erkennen. Es gibt ein zusätzliches parasitäres Element in einem Ebenenpaar: die Streuinduktivität.

Einfach ausgedrückt, ist die Streuinduktivität die Induktivität, die durch den Strompfad entlang zweier Ebenen und der Schaltungselemente, die sie verbinden, erzeugt wird. Im PDN einer Leiterplatte wird die Streuinduktivität durch die Stromschleife definiert, die von einem Entkopplungskondensatornetzwerk entlang einer Stromebene, in den Lasteneingang und zurück entlang der Masseebene zum Kondensator verläuft. Sie entspricht nicht der Schleifeninduktivität, die durch diesen Strompfad gebildet wird, sondern ist nur der Teil der Gesamtinduktivität, der speziell durch die Ebene beigetragen wird. Die verschiedenen Beiträge zur Impedanz des Ebenenpaars werden unten gezeigt:

Warum sollten wir den Begriff „Streuinduktivität“ verwenden? Der Begriff wird verwendet, um zu bezeichnen, dass der Strom sich in dem Paar aus Strom- und Masseebene „ausbreitet“, er folgt keiner geraden Linie. Der Strom ist auf eine schmale Region zwischen dem Ausgang des Entkopplungskondensators und dem Eingang der Durchkontaktierung begrenzt. Anstatt einer wörtlichen geraden Linie zwischen diesen beiden Punkten in der Ebene zu folgen, breitet sich der Strom in der Ebene aus, füllt aber nicht vollständig das Kupfer in dem Ebenenpaar aus.

Diese Begrenzung des Stroms in der Ebene hat eine wichtige Konsequenz für das PDN-Design: Letztendlich führt eine Vergrößerung der Ebenenfläche nicht notwendigerweise zu einer Verringerung der Streuinduktivität. Dies liegt daran, dass bei einer großen Ebene der Strom nicht weiter entlang des Strompfades fließen wird. Stattdessen können Sie nur zwei andere Abstände ändern, wenn Sie die Streuinduktivität wie folgt modifizieren möchten:

• Reduzieren von d: Das Näherbringen von Kondensatoren an den Last-IC verringert die Streuinduktivität
• Reduzieren von h: Das Näherbringen der Ebenen zueinander verringert die Streuinduktivität

Modellierung von Ebenen mit Streuinduktivität

Allgemein können lineare zeitinvariante (LTI) elektrische Systeme als RLC-Schaltkreise modelliert werden, und die gleiche Idee gilt für ein Ebenenpaar mit Streuinduktivität. Das Bild unten zeigt, wie die Streuinduktivität entlang einer Stromebene in einem Schaltplan für die Verwendung in einer Simulation modelliert würde. Der Teil der Ebene, der von C-Plane zu OUT verbindet, enthält zwei Elemente: eine Induktivität (L-Plane) und einen Widerstand (R-Plane). L-Plane ist unsere Streuinduktivität, definiert durch die Stromschleife, die im PDN gebildet wird. Zusammen mit C-Plane enthalten diese drei Elemente alle Parasitären, die mit einem Ebenenpaar zusammenhängen.

Technisch gesehen hätten wir zusätzliche Elemente entlang des GND-Netzes, die dem R-Plane-Wert für die Masseebene entsprechen, und ein zusätzliches L-Plane-Element für die Durchkontaktierung, aber wir können dies in die R-Plane/L-Plane-Elemente einbeziehen, wenn wir möchten. Wichtig ist, wie Verbindungen zu anderen Komponenten in den obigen Schaltplänen hergestellt würden. PWR ist der Ausgang aus dem Entkopplungskondensator-Netzwerk. Die seriellen RL-Elemente, die von PWR zu OUT reichen, modellieren den Standort des Entkopplungskondensator-Netzwerks.

Wie wir oben angegeben haben, bedeutet dies, dass Sie eine einfache Möglichkeit haben, die Streuinduktivität zu reduzieren: Bringen Sie die Entkopplungskondensatoren näher an den Eingangsleistungspin am Last-IC oder verringern Sie den Ebenenabstand. Zusätzlich können Sie mehr Durchkontaktierungen verwenden, um den Strom im Leistungsnetz absichtlich zu verteilen, indem Sie Durchkontaktierungen von einem Decap-Array parallel zum Leistungseingang platzieren. Alternativ, wenn Sie eine große BGA-Komponente verwenden, platzieren Sie die Decaps direkt auf der Rückseite der Platine, um die Streuinduktivität zu minimieren.

Entkopplungskondensatoren verbunden mit einer Ebene

Was ist mit Entkopplungskondensatoren, die an ein Ebenenpaar angeschlossen sind? Hat der Abstand zwischen den Kondensatoren eine gewisse Induktivität? Die Antwort lautet „ja“, das tut es, aber diese Induktivität lässt sich leicht reduzieren, indem die Kondensatoren sehr eng zusammen platziert werden. Das sollten wir oben sehen können: Das Platzieren der Kondensatoren nah beieinander setzt im Grunde d = 0.

Eine gute Richtlinie ist, die kleinstmöglichen Gehäusekondensatoren zu verwenden, die noch Ihre erforderlichen Kapazitätsspezifikationen erreichen können. 0402-Gehäusegröße ist eine gute allgemeine Auswahl für Hochgeschwindigkeitsplatinen, es sei denn, Sie entwerfen für sehr hohe Dichte und benötigen 0201/01005-Gehäuse. Bei diesen Kondensatoren wird der ESR-Wert nicht vernachlässigbar sein, was tatsächlich von Vorteil sein kann, und die ESL-Werte tendieren dazu, niedriger zu sein.

Leider gibt es keine geschlossene Formel, die Sie verwenden können, um die Streuinduktivität zu berechnen. Die Berechnung beinhaltet mehrere Integrale mit einer Eigenfunktionserweiterung. Der schnellste Weg ist, Ihr Design in eine Feldlöser-Anwendung zu exportieren. Wenn Sie mehr erfahren möchten, gibt es eine umfassende Ressource, die in der Forschungsliteratur gefunden wurde:

• Kim, J., et al. "Induktanzberechnungen für Flächenfüllungen mit Durchkontaktierungen in einem Stromverteilungsnetzwerk unter Verwendung eines Hohlraummodells und partieller Induktanzen." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 59, Nr. 8 (2011): 1909-1924.

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