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第 5 章 实 用 多层 陶瓷片状电 容 器 的集 成 137 • 有机 会利 用通 孔 之 间的 互 感来 减 小 通 孔 电 感 ； •通 孔 相 对 于 空腔 占 用的空间 更大 ， 可减 少扩散 电 感 。 IDC 电 容 器 的 大 部 分优 点来 自通 孔 配置降 低 的电 感 。 由 于 多 个 路 径并 行 ， 所 以 对 X2Y 电 容 器 的 安 装电 感 的 估 计 会变 得复杂 。 估 计 X2Y 性 能 优势 …
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
；
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
137
•
有机会利用通孔之间的互感来减小通孔电感
；
•通孔相对于空腔占用的空间更大
，
可减少扩散电感
。
IDC
电容器的大部分优点来自通孔配置降低的电感
。
由于多个路径并行
，
所以对
X2Y
电容器的安装电感的估计会变得复杂
。
估计
X2Y
性
能优势最简单的方法是考虑电容器中每四分之一的安装电感
，
并按比例并联一定数量的电
容器
。
提示
X2Y
型等电容器提供了可在同一体内并联多个电容器的优势
。
这会将每个电容
器的
ESL
降低
1/
〃
，
这是显著的改善
。
大部分安装电容器中电感的改善来自通
孔模式
。
与常规电容器一样
，
板上表面迹线的长度会严重影响安装的回路电感
。
图
5-33
显示了
安装在一个电路板上两个不同
X2Y
电容器的测量阻抗
，
一个具有
20mli
长的表面迹线
，
另
一个带有电容焊盘通孔
。
测量回路电感
，
其差异令人吃惊
。
在通孔嵌入式配置中
，
X2Y
电
容器的安装回路电感低至
200pH
o
在电容器上加上
20mil
长的表面迹线后其安装回路电感
增加到
900pH
。
虽然该值仍然较小
，
但该短表面迹线使该值增加了
4
倍以上
。
图
5-33
两个不同
X2Y
电容器的测量阻抗
，
它们分别安装在具有
20mil
长的表面迹线和通
孔的板上
。
这两种配置的提取回路电感为
900PH
和
200PH
提示
当安装电感较低时
，
非常小的特性都可以显著增加安装电感
。
这就是为什么注
意细节是设计低电感电容器集成电路板的重要因素
。
5.
13
使用供应商提供
S
参数的电容器型号
电容器供应商的常见做法是为其电容器提供
S
参数模型
。
通常这些
S
参数文件源自允
许进行双端口测量的特定''系列"设备中电容器的测量值
。
图
5-34
显示了一个用于
VNA
的
简单微带夹具的示例
。
电容器串联在
VNA
的两个端口之间
，
具有从端口的参考平面到电容器焊盘的一些长
138
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
度迹线以及电容器下方的返回路径
。
当然
，
在该配置中测量的
S
参数模型的感性特性取决
于夹具的细节和返回路径的位置
。
不幸的是
，
许多供应商和客户在系统仿真中使用这些
S
参数模型
，
误认为
S
参数模型
必须准确
。
毕竟
，
它达到了
3GHz
。
为了在去耦应用中使用双端口模型
，
许多用户将模型的一个端口连接到电路板的电容
器安装焊盘上
，
并将另一个端口接地
。
这种方法的问题是电容器的
S
参数模型表示为电容器在特定测量环境中的特性
，
指向
电容器和夹具返回路径的位置
。
这可能与最终用户系统中的安装结构完全没有关系
。
最终
的应用环境可能具有比测量配置多得多或少得多的安装电感
。
系统级的仿真结果将会产生
误导
。
提示
系统仿真中在使用供应商提供的电容器的
S
参数模型时
，
请小心
。
若环境与测
量夹具一样
，
则这些模型可以用于预测电容器在系统中的行为
。它们并不代表
与应用中有相同的安装电感
，
并可能产生误导性的结果
。
这是你在系统仿真中谨慎使用供应商提供的基于电容测量的
S
参数模型的主要原因
。
其他
3
个原因包括
：
•
S
参数通常以未知的方式被
“
纠正
”
；
•
某些
S
参数已破坏
，
但仍会发布
；
•
有时组件的电容与其标签不同
。
提供
S
参数模型的电容器供应商通常因被动和互惠原则进行
“
校正
”
测量
。
它们不会公
开所使用的算法
，
这些算法可能会减去
S
参数中任何大于
1
的偏移量
，
并用平均值代替每
对术语
。
这在已公开的
s
参数值中是显而易见的
，
如图
5-35
所示
，
它们显示有相同的
S
”
和
S22
值
。
这只能在
S
参数被仿真或
“
校正
”
的情况下发生
。
图
5-34
典型的用于测量电容器两端
S
参数的
微带夹具的图示
。
测量的感应质量取
决于夹具的几何尺寸
，
这并不是电容
器固有的
S
“
mag
0.96617446
0.96312476
0.95988758
图
5-35
phase
-14.09844577
-14.71015576
-1535460379
0.96617446
0.96312476
0.95988758
-14.09844577
-14.71015576
-15.35460379
在一个典型的
s
参数文件中
，
对于
3
个不
同的频率
，
S
”
和
S22
的一小部分值
。
注意,
S11
和与
2
的大小和相位值取
8
位小数位