Что такое распределенная индуктивность?

На изображении выше показана печатная плата с двумя большими конденсаторами, которые могут использоваться в качестве выходных конденсаторов для VRM, который, в свою очередь, может подавать постоянный ток на интегральную схему. Однако эта плата скрывает важный источник индуктивности: плоскость питания и шины питания.

Если вы работаете с компонентом высокоскоростной цифровой техники, существуют некоторые простые правила целостности питания, которые следует соблюдать. Использование пар плоскостей, развязывающих конденсаторов и обходных конденсаторов является отправной точкой для проектирования сети распределения питания (PDN) на вашей печатной плате, чтобы обеспечить необходимое сопротивление. Есть одна величина, которая иногда игнорируется при построении симуляции импеданса PDN: распространяющаяся индуктивность вашей пары плоскостей. Эта величина играет обманчиво простую роль в определении индуктивности, ведущей к входному пину питания на компоненте.

Что такое Распространяющаяся Индуктивность?

Все проводящие элементы на вашей печатной плате могут иметь некоторые паразитные элементы, включая пары плоскостей. Тот, который обычно нас интересует, это емкость плоскости, которая обеспечивает дополнительную емкость для помощи вашей PDN при развязке на высоких частотах. В симуляции PDN постоянного тока мы смотрим на проводимость постоянного тока, чтобы попытаться обнаружить потерю мощности. Есть один дополнительный паразит в паре плоскостей: распространяющаяся индуктивность.

Проще говоря, распространяющаяся индуктивность - это индуктивность, создаваемая путем тока, протекающего между двумя плоскостями и элементами схемы, соединяющими их. В PDN печатной платы распространяющаяся индуктивность определяется петлей тока, простирающейся от сети развязывающих конденсаторов, вдоль плоскости питания, во входную цепь нагрузки и обратно по земляной плоскости к конденсатору. Это не эквивалентно индуктивности петли, формируемой этим путем тока, это только та часть общей индуктивности, которая специфически приходится на плоскость. Различные факторы, влияющие на импеданс пары плоскостей, показаны ниже:

Почему мы должны использовать термин «распространяющаяся индуктивность»? Термин используется для обозначения того, что ток «распространяется» в паре плоскостей питания и земли, он не следует прямой линии. Ток ограничен узкой областью между выходом развязывающего конденсатора и входом переходного отверстия. Вместо того, чтобы следовать буквально прямой линии между этими двумя точками в плоскости, ток распространяется в плоскости, но не заполняет полностью медь в паре плоскостей.

Это ограничение тока в плоскости имеет важное последствие для проектирования PDN: в конечном итоге увеличение площади плоскости не обязательно уменьшает индуктивность распространения. Это связано с тем, что при большой плоскости ток не будет продолжать распространяться вдоль текущего пути. Вместо этого, если вы хотите изменить индуктивность распространения, вы можете изменить только два других расстояния следующим образом:

• Уменьшить d: Приближение конденсаторов к нагрузочному ИС уменьшает индуктивность распространения
• Уменьшить h: Сближение слоев плоскости уменьшает индуктивность распространения

Моделирование плоскостей с индуктивностью распространения

В общем, линейные системы с постоянными параметрами (LTI) могут быть смоделированы как RLC-цепи, и та же идея применима к паре плоскостей с индуктивностью распространения. На изображении ниже показано, как индуктивность распространения вдоль питающей плоскости будет моделироваться на схеме для использования в симуляции. Часть плоскости, соединяющая от C-Plane до OUT, содержит два элемента: индуктивность (L-Plane) и сопротивление (R-Plane). L-Plane - это наша индуктивность распространения, определяемая петлей тока, образованной в PDN. Вместе с C-Plane эти три элемента содержат все паразитные элементы, связанные с парой плоскостей.

Технически, у нас будут дополнительные элементы вдоль сети GND, соответствующие значению R-Plane для земляного слоя, и дополнительный элемент L-Plane для соединения через переходное отверстие, но мы можем объединить это в элементы R-Plane/L-Plane, если захотим. Важно, как будут производиться соединения с другими компонентами в приведенных выше схемах. PWR является выходом из сети развязывающих конденсаторов. Последовательные элементы RL, простирающиеся от PWR до OUT, моделируют расположение сети развязывающих конденсаторов.

Как мы указали выше, это означает, что у вас есть простой способ уменьшить распространение индуктивности: переместите развязывающие конденсаторы ближе к входному питающему контакту на микросхеме нагрузки или уменьшите расстояние между слоями. Кроме того, вы можете использовать больше переходных отверстий для намеренного распределения тока в питающем слое, размещая переходные отверстия от массива декапов к входу питания параллельно. В качестве альтернативы, если вы используете большой компонент BGA, просто разместите декапы непосредственно на обратной стороне платы, чтобы минимизировать распространение индуктивности.

Развязывающие конденсаторы, подключенные к слою

Что насчет развязывающих конденсаторов, которые подключены к паре плоскостей? Имеет ли значение расстояние между конденсаторами из-за индуктивности? Ответ - "да", это имеет значение, но эту индуктивность легко уменьшить, разместив конденсаторы очень близко друг к другу. Мы должны увидеть это выше: размещение конденсаторов близко друг к другу фактически устанавливает d = 0.

Хорошим правилом является использование конденсаторов с наименьшим возможным корпусом, которые все еще могут обеспечить необходимую емкость. Размер корпуса 0402 является хорошим универсальным выбором для плат высокой скорости, если только вы не разрабатываете очень плотные платы и вам необходимы корпуса 0201/01005. В этих конденсаторах значение ESR будет заметным, что на самом деле может быть хорошо, а значения ESL, как правило, ниже.

К сожалению, нет универсального уравнения, которое вы могли бы использовать для расчета распространяющейся индуктивности. Расчет включает несколько интегралов с расширением по собственным функциям. Самый быстрый способ - экспортировать ваш дизайн в приложение для расчета поля. Если вы хотите узнать больше, есть один исчерпывающий ресурс, найденный в научной литературе:

• Kim, J. и др. "Расчет индуктивности для заполнения областей пар плоскостей с переходными отверстиями в сети распределения питания с использованием модели полости и частичных индуктивностей." Транзакции IEEE по теории и технике микроволн 59, № 8 (2011): 1909-1924.

Встроенный пакет SPICE в Altium Designer® может помочь вам выполнить ряд симуляций, включая симуляции PDN. Когда вы будете готовы передать эти файлы вашим коллегам для более продвинутых симуляций, платформа Altium 365™ упростит совместную работу и обмен проектами. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.