PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第123页
第 4 章电 感 和 PDN 设计 107 个 较 好 的近 似 手段 。 提 示 当 需要 对 窄 导 体 的 回 路电 感 进行 快 速 估 计 时 ， 25nH/in 或 InH/mm 是 个不 错的 出发 点 。 而 当 你 需要 更 精确的 数 值 时 ， 尤 其 是对 于 距离较 小 的 宽导 体 ， 可以 在 4. 14 节 中 选 择 一个 较 好 的近 似 手段 。 4. 16 高级 主 题 ： 利 用 3D 场求 解…
106
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
30
-
20
-
传输线
50
-1
------------------
45
一
_
_
_
_
_
_
0
5
0
5
0
5
5
4
4
3
3
2
1
1
一
1E
0
5
0
5
0
1
2
1
1
(
.S
/HU
)
靛
出
黜
回
£
胡邛
归
册
2E1
1
图
4-21
通过
keysight
ADS
来仿真
，
比较利用
2D
场求解器
、
平行板近似
、
传输线近似在微带
和条形线结构中得到的单位长度的回路电感
，
其中此处
Dk=4,
轨迹厚度为
0.7mil
4.
15
回路电感的简单经验法则
“
及时的答案有时比更完善却稍滞后的答案更好这是一个适用于很多实用设计的重
要准则
。
即使我们之前能提供一些近似来估计回路电感
，
但有时与即拿即用的估计方法在使用
价值上是同一量级的
。
上述两种近似方法提示了一种可用于单位长度总电感和任意长度回
路电感的粗略估计方法
。
我们已经在图
4-16
中展示了半径为
0.5
〜
3in,
厚度为
24
号的圆环线
，
其中每英寸回
路电感大约是
25nH
。
直导线的部分自感可近似为
：
L
se
|
f
=
5
X
LenX
pn
（
2
X
y
Len
）
-0.
75
J
（
4-69
）
式中
，
Lseif
是圆棒的部分自感
（
nH
）
；
Len
是圆棒的长度
（
in
）
；
R
是导线半径
（
in
）
。
例如
，
对于
30
号线
，
其直径大约为
lOmil,
长为
lin,
部分自感近似为
：
L
se
if
=
5
X
Len
X
「
n
.
X
产
）
一°.
75
J
=
5
X
1
X
75
j=
23nH
（
4-70
）
然而部分自感不会精确地与长度成正比
。
对于
lin
长的
30
号导线
，
电感值大约为
25nH,
这基本上就是当外导体较远时导体棒的完全电感
。
二者都体现出对回路电感粗略估计的简单经验法则
，
如下
：
Lioop
〜
25nH/inch
X
Len
=
InH/
mm
X
Len
（
4-
71
）
当然
，
回路电感取决于横截面
、
长度
、
导体形状
；
但作为一个粗略的数字
，
对于形状
简单
、
外导体远离的窄导体
（
比如通孔
）
来说
，
单位长度的回路电感可近似为
25nH/in,
即
InH/mm
。
当需要对窄导体的回路电感进行快速估计时
，
25nH/in
或
InH/mm
是个不错的出发
点
。
而当你需要更精确的数值时
，
尤其是对于距离较小的宽导体
，
可以在
4.14
节中选择一
第
4
章电感和
PDN
设计
107
个较好的近似手段
。
提示
当需要对窄导体的回路电感进行快速估计时
，
25nH/in
或
InH/mm
是个不错的
出发点
。
而当你需要更精确的数值时
，
尤其是对于距离较小的宽导体
，
可以在
4.
14
节中选择一个较好的近似手段
。
4.
16
高级主题
：
利用
3D
场求解器计算
S
参数并选取回路电感
尽管近似方法在设计空间的拓展和快速得出设计决定的效能上是非常有力的工具
，
但
有时
3D
场求解器更高的精确性以及更高的可靠性也是十分重要的
。
对于不规则的几何形状和连接着边缘形状不规则结构的情况
，
只有
3D
场求解器能够
利用麦克斯韦方程组和导体及介质的边界条件得出可靠的结果
。
但优势与劣势总是相伴
的
，
其挑战在于找到与解决问题相关的结果和对结果的信心
。
提示
优势与劣势总是相伴的
，
使用
3D
场求解器几乎每次都可以得出结果
，
但其挑战
在于找出与解决问题相关的结果
，
以及对结果的信心
。
设计者需要能同时运用自己所学的知识和工具
，
并把二者统一整合到设计过程中
。
同
时要将你的设计分割成
3D
场求解器可有效分析的若干小部分
。
3D
场求解器产生的最普遍结果是以
S
参数形式输出的
，
参数根据被分配给各端口的
问题进行输出
。
端口是一种信号返回连
接
，
在连接中电磁波被输入或者电压源
被输出
，
然后来自端口的散射波用来进
行计算
。
在设定好的频率下
，
对
S
参数
进行的计算包含了关于结构特性的所有
重要信息
。
对于
PDN
等特殊情况
，
可以使用
S
参数进行计算以及从正在仿真的结构中
提取有效的回路电感
。
用来说明这一过
程的是一个简单的结构
，
该结构是将封
装底部的
BGA
焊球连接到电路板底部的
去耦电容上
。
这是一个在
BGA
下在通孔
间安装电容的典型配置
。
图
4-22
展示了
SimbeorCSimberian
公司的
3D
场求解器
）
生成的三维几何模型
。
这种问题我们称之为双端口问题
。
顶层的端口
（
端口
1
）
连接
BGA
的电源和
地
。
端口
2
在安装退耦电容的两个孔之
图
4-22
Simbeor
3D
场求解器所展示的是
BGA
下方
的一对电源和接地通孔的例子
。
顶部处在两
个过孔焊盘之间的导体棒是指定端口
，
对应
的端口在结构底部
，
图中没有展示出来
108
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
间
。
本例中电路板共
8
层
，
总厚度为
62mil,
通孔直径为
lOmil,
中距
40mL
对双棒使用近似来计算回路电感
，
我们预测通孔的单位线性长度的回路电感约为:
小
=
加傍
)+
点
『
T
[=
加偿)
+
J
儒
『
-
卜
21pH/mil
(4-72)
电路板的厚度为
62mil
时
，
预测的回路电感为
21pH/milX62mil=l.
30nH
。
3D
场求解器的输出是双端口
S
参数文件
。
图
4-23
表明仿真中返回的插入损耗
。
频率
(Hz)
0
2e09
4e09
6e09
8e09
lelO
(
。
)
以
把
缸
频率
(
Hz
)
图
4-23
使用
Simbeor
对电路板中由顶到底的双端口通孔对进行仿真而得到的
S
参数
我们通过加入理想电容和一些电阻来模拟电路板底部的去耦电容
，
就可以在
PDN
电
路仿真中直接使用
S
参数文件
。
此仿真将展示通孔对和电容对系统的影响
。
在此应用中,
S
参数可作为
“
黑箱模型
”
，
不必关心箱内有什么
。
提示
通孔对的
S
参数模型可以直接包含进电路的仿真中
。
然而
，
这不能按比例来缩
放
。
如果通孔设计发生了任何变化
，
那么
S
参数必须重新仿真
。
因为外形变化
所带来的影响能够轻易且快速地发现
，
所以电路使用简单的拓扑结构有很大
优势
。
纵然三维模型很能说明电容与通孔连接的影响力
，
但我们仍能够不通过系统仿真
，
直
接观察
S
参数就能解决问题
。
然而
，
这可能会存在直接来自
s
参数的
，
且有数据挖掘价值的性能指标
，
例如通孔的
回路电感
。
第一步是当远端端口短接时
，
对通孔对
(via
pair)
进行单端口
S
参数仿真
。
形成将电流
从一个通孔至另一个通孔的返回配置
。
图
4-24
阐明了此电路
。