Co to jest indukcyjność rozproszona?

Prezentowany obraz pokazuje PCB z dwoma dużymi kondensatorami, które mogą być używane jako kondensatory wyjściowe dla VRM, który następnie może dostarczać energię stałoprądową do układu scalonego. Jednak ta płyta kryje ważne źródło indukcyjności: płaszczyznę zasilającą i szyny zasilające.

Jeśli pracujesz z szybkim komponentem cyfrowym, istnieje kilka prostych zasad integralności zasilania, które należy przestrzegać. Używanie par płaszczyzn, kondensatorów odsprzęgających i kondensatorów bypassowych to punkt wyjścia do projektowania PDN w twojej PCB, aby miała wymaganą impedancję. Istnieje jedna wielkość, która czasami jest ignorowana podczas budowania symulacji impedancji PDN: rozpraszająca indukcyjność pary płaszczyzn. Ta wielkość odgrywa pozornie prostą rolę w określaniu indukcyjności prowadzącej do wejściowego pinu zasilania na komponencie.

Co to jest Rozpraszająca Indukcyjność?

Wszystkie elementy przewodzące na twojej PCB mogą mieć pewne elementy pasożytnicze, w tym pary płaszczyzn. Tym, o którym zwykle się martwimy, jest pojemność płaszczyzny, która zapewnia dodatkową pojemność, pomagając twojemu PDN odsprzęgać przy wysokich częstotliwościach. W symulacji PDN DC patrzymy na przewodność stałoprądową, aby spróbować zlokalizować stratę mocy. Istnieje jeszcze jeden pasożyt w parze płaszczyzn: rozpraszająca indukcyjność.

Prostymi słowy, indukcyjność rozprzestrzeniania to indukcyjność tworzona przez ścieżkę prądu biegnącą wzdłuż dwóch płaszczyzn oraz elementy obwodu, które je łączą. W PDN płytki PCB indukcyjność rozprzestrzeniania jest definiowana przez pętlę prądową rozciągającą się od sieci kondensatorów sprzęgających, wzdłuż płaszczyzny zasilania, do wejścia obciążenia i z powrotem wzdłuż płaszczyzny masy do kondensatora. Nie jest to równoznaczne z indukcyjnością pętli tworzoną przez tę ścieżkę prądową, jest to tylko część całkowitej indukcyjności przyczyniana specyficznie przez płaszczyznę. Różne składniki impedancji pary płaszczyzn są pokazane poniżej:

Dlaczego powinniśmy używać terminu „indukcyjność rozprzestrzeniania”? Termin ten jest używany, aby zaznaczyć, że prąd „rozprzestrzenia się” w parze płaszczyzn zasilania i masy, nie podąża prosto. Prąd jest ograniczony do wąskiego regionu między wyjściem decap a wejściem przez via. Zamiast podążać dosłownie prostą linią między tymi dwoma punktami na płaszczyźnie, prąd rozprzestrzenia się w płaszczyźnie, ale nie wypełnia całkowicie miedzi w parze płaszczyzn.

Ograniczenie prądu do płaszczyzny ma ważną konsekwencję dla projektowania PDN: ostatecznie zwiększenie powierzchni płaszczyzny niekoniecznie zmniejsza indukcyjność rozprzestrzeniania. Wynika to z faktu, że przy dużej płaszczyźnie prąd nie będzie kontynuował rozprzestrzeniania się wzdłuż ścieżki prądowej. Zamiast tego, jeśli chcesz zmodyfikować indukcyjność rozprzestrzeniania, możesz zmienić tylko dwie inne odległości, jak następuje:

• Zmniejsz d: Przybliżenie kondensatorów do obciążenia IC zmniejsza indukcyjność rozprzestrzeniania
• Zmniejsz h: Przybliżenie warstw płaszczyzn zmniejsza indukcyjność rozprzestrzeniania

Modelowanie płaszczyzn z indukcyjnością rozprzestrzeniania

Ogólnie, liniowe, niezmienne w czasie (LTI) systemy elektryczne mogą być modelowane jako obwody RLC, i ta sama idea dotyczy pary płaszczyzn z indukcyjnością rozprzestrzeniania. Poniższy obraz pokazuje, jak indukcyjność rozprzestrzeniania wzdłuż płaszczyzny zasilania byłaby modelowana na schemacie do użycia w symulacji. Część płaszczyzny łącząca od C-Plane do OUT zawiera dwa elementy: indukcyjność (L-Plane) i rezystancję (R-Plane). L-Plane to nasza indukcyjność rozprzestrzeniania określona przez pętlę prądową utworzoną w PDN. Razem z C-Plane, te trzy elementy zawierają wszystkie elementy pasożytnicze związane z parą płaszczyzn.

Technicznie rzecz biorąc, mielibyśmy dodatkowe elementy wzdłuż sieci GND odpowiadające wartości R-Plane dla płaszczyzny masy oraz dodatkowy element L-Plane dla połączenia przez przelotkę, ale możemy to zgrupować w elementy R-Plane/L-Plane, jeśli chcemy. Ważne jest, jak połączenia byłyby realizowane z innymi komponentami w powyższych schematach. PWR jest wyjściem z sieci kondensatorów sprzęgających. Elementy szeregowe RL rozciągające się od PWR do OUT modelują lokalizację sieci kondensatorów sprzęgających.

Tak jak wskazaliśmy powyżej, oznacza to, że masz prosty sposób na zmniejszenie rozprzestrzeniania się indukcyjności: zbliż kondensatory sprzęgające do pinu zasilania na układzie obciążenia, lub zmniejsz odległość między płaszczyznami. Ponadto, możesz użyć większej liczby przelotek, aby celowo rozprowadzić prąd w płaszczyźnie zasilania, umieszczając przelotki łączące z tablicą decap do wejścia zasilania równolegle. Alternatywnie, jeśli używasz dużego komponentu BGA, po prostu umieść kondensatory sprzęgające bezpośrednio na spodniej stronie płytki, aby zminimalizować rozprzestrzenianie się indukcyjności.

Kondensatory sprzęgające połączone z płaszczyzną

Co z kondensatorami sprzęgającymi, które są podłączone do pary płaszczyzn? Czy odległość między kondensatorami ma jakąś indukcyjność? Odpowiedź brzmi "tak", ma, ale tę indukcyjność można łatwo zmniejszyć, umieszczając kondensatory bardzo blisko siebie. Powinniśmy być w stanie to zobaczyć powyżej: umieszczenie kondensatorów blisko siebie praktycznie ustawia d = 0.

Dobrą wytyczną jest używanie kondensatorów o najmniejszym możliwym rozmiarze, które nadal spełniają wymagane specyfikacje pojemności. Rozmiar obudowy 0402 jest dobrym, ogólnym wyborem dla szybkich płyt, chyba że projektujesz do bardzo wysokiej gęstości i potrzebujesz obudów 0201/01005. W tych kondensatorach wartość ESR będzie niepomijalna, co może być nawet korzystne, a wartości ESL zwykle są niższe.

Niestety, nie ma zamkniętego równania, którego można by użyć do obliczenia rozprzestrzeniania się indukcyjności. Obliczenie to obejmuje kilka całek z rozwinięciem w funkcje własne. Najszybszym sposobem jest eksport projektu do aplikacji do rozwiązywania problemów polowych. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, w literaturze badawczej znajduje się jeden kompleksowy zasób:

• Kim, J. i in. "Obliczenia indukcyjności dla wypełnień obszarów par płaszczyzn z przelotkami w sieci dystrybucji mocy przy użyciu modelu wnęki i częściowych indukcyjności." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 59, nr 8 (2011): 1909-1924.

Wbudowany pakiet SPICE w Altium Designer® może pomóc Ci przeprowadzić szereg symulacji, w tym symulacje PDN. Kiedy będziesz gotowy, aby udostępnić te pliki swoim współpracownikom do bardziej zaawansowanych symulacji, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanych urządzeń elektronicznych, znajduje się w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.