PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第151页
第 5 章 实 用 多层 陶瓷片状电 容 器 的集 成 135 提 示 安 装电 容 器 的电 感 取决于 3 个区 域 的 具体 特 性 ： 表面迹线的 回 路电 感 、 电 容 器 主体以及到 空腔顶部的通 孔 。 使 用简 单 的近 似 ， 我 们估 计这 些元 素 来探 索设计 的 折 中 。 差 典 型 值 好 反向 宽 高 比 BGA 下 的盖 子 表面迹线 （ mil ） 60 30 20 10 宽度 表面迹线 （ mil…
134
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
作为比较
，
如果电容器安装在电路板背面的
BGA
下
，
直接连接到
BGA
焊盘中电源和
接地通孔上
，
则电容器的安装回路电感将由通过该板至
BGA
的通孔回路电感占主导地位
。
如果中心到中心球间距为
50mil,
通孔的半径为
5mil,
则通孔单位长度上的回路电感为
：
L[pH/mil]
=
10
X
由
10
X
In
偿
）
=
23pH/mil
（
5-36
）
对于
64mil
厚的电路板
，
通孔回路电感约为
64milX23pH/mil
=
l.
5nH
。
我们可以将
电源平面腔的扩散电感加上
BGA
通孔电感与电路板顶部电容器座的电容进行比较
。
与较
薄的电路板相比
，
较厚的电路板相对背面安装座具有较高的通孔电感
。
在某些情况下
，
直
接在
BGA
下安装电容器存在优势
，
进行分析总是很重要的
。
要考虑的重要电容器设计是反向宽高比电容器
。
端子位于宽边上
，
如图
5-29
所示
。
反
向宽高比电容器的安装电感可以具有比传统电容器更低的回路电感
，
特别是所有功能都被
优化时
。
图
5-29
常规宽高比电容器和精选的反向宽高比电容器
（
端子沿其长边
）
反向宽高比电容器的较低回路电感降低了
ESR
。
电容端子间的平方数影响
ESL
和
ESR
。
如果反向宽高比电容器的平方数从
2
减少到
0.5,
则
ESR
可以降低到标准电容器的
25%
。
虽然安装的电感可以通过标准电容器来降低
，
但是如果总回路电感没有显著降低
，
则
ESR
可能会由于较少的阻尼而导致有较高的峰值阻抗和较高的
q
因子
。
这就是为什么分析对于
每个设计来说都如此重要
。
在
0306
体中典型的反向宽高比电容可能具有以下特征
。
九
trace
：
5
mil
、
w
trace
：
60mils
、
Len
trace
；
lOmiM
通过垫片
）
、
A
cap
：
5mil+
10mil
=
15mik
w
cap
：
60mil,
Len
cap
：
30mil
、
通孔
间距
：
40m
il
、
通孔直径
：
10mil
o
来自迹线的回路电感的贡献约为
300pH,
来自电容器体的约为
140pH,
通孔的约为
lOOpH,
安装电容器的总回路电感约为
540pH
。
这种分离成回路电感的贡献
只是一
个粗略
的近似
，
以确定安装电容器几何形状中特定部分的相对重要性
。
通常
，
电容器的总安装电
感约为整个环路的电感
，
我们只能使用考虑整个几何细节的
3D
场求解器来计算
。
我们在电子表格中实现了这种简单的分析
，
这样可以快速容易地比较组装设计规则与
产生的安装回路电感之间的折中
。
图
5-30
显示了
5
个不同的例子
，
并比较了它们对回路电
感的贡献
。
第
5
章实用多层陶瓷片状电容器的集成
135
提示
安装电容器的电感取决于
3
个区域的具体特性
：
表面迹线的回路电感
、
电容器
主体以及到空腔顶部的通孔
。
使用简单的近似
，
我们估计这些元素来探索设计
的折中
。
差 典型值
好
反向宽高比
BGA
下的盖子
表面迹线
（
mil
）
60 30
20
10
宽度表面迹线
（
mil
）
10
10
10
60
空腔深度
（
mil
）
30
10
5
5
64
电容宽度
（
mil
）
30
30
30
60
电容长度
（
mil
）
60
60
60 30
板的电容偏移
（
mil
）
20
20
10
10
通孔数
1
1
1
2
1
通径半径
（
mil
）
5
5
5
5
5
通孔的中心到中心距离
（
mil
）
190
130
110
40
50
表面迹线的电感
（
pH
）
1753
876
584 292
电容器体的电感
（
pH
）
1099
876 575
137
通孔的电感
（
pH
）
1091
326
155
52 1474
总电感
（
pH
）
3943
2079
1314
481
1474
图
5-30
各种电容器安装选项和所产生的回路电感的分析
。
对于顶部电容器
，
我们必须加
上来自电源平面腔和
BGA
通孔的安装座
的回路电感
，
以便在
BGA
下通孔与盖子
进行正确的比较
这种分析值是大型印制电路板上回路电感可能的典型值
。
在具有堆积层和微通孔的封
装衬底上
，
尺寸较小
。
通孔可能只有几密耳长
。
多个通孔以最小间距直接放置在电容器端
136
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
4nH
2nH
1
nH
0.5
nH
0.4
nH
子的下方
。
在这种情况下
，
可以安装低至
lOOpH
的电感
。
该分析表明
，
减少电容器到电路板表面的安装电感的
5
个最重要的设计点如下所示
。
•
使用电容器焊盘到通孔的
短表面迹线
；
•
使用从电容器焊盘到通孔的
宽表面迹线
；
•
将
空腔的
顶部尽可能靠近板的
顶部表面进行排列
；
•
尽可能使用反向宽高比电容
；
•
使用多个通孔连接电容器焊盘
。
图
5-31
阐明了较低电容器安装电感的一般设计参
考方向⑵
。
低安装电感的另一种替代电容器形式是
X2Y
配
置
，
有
时称其为三端子盖
。
在这种几何结构中
，
端子
配置在电容器的端部和中间
。
图
5-32
显示了
X2Y
电
容器的几何结构
。
X2Y
电容器是一种交指电容器
（
IDC
）
，
它被构造
图
5-31
降
低电容器安装
电感的设计趋
为多个电容器并联
，
具有能够实现直通孔的通孔样式
，
势图
但这些通孔不会阻塞布线通道
。
对于并联的
4
个电容器
，
电容器阵列的净安装电感是每个电感器回路电感的并联组合
。
如果每个电容器的回路电感约为
2nH,
则它们的并联组合将约为
0.
5n
H
。
四端
X2Y
组件
G2
图
5-32
可提供非常低的安装电感的
X2Y
电容器
。
端子
A
和
B
连接到电源平面
交指电容器的
4
个重要优点是:
•
多个并联电容并联
；
•
多个通孔对并行
；