减小电容回路电感的设计要点

过孔要放在离电容最近的地方。减小电源/地的孔间距。可能的话,用多对电源/地孔并联在一起。诸如电流极性相反的两个孔放置的尽量近,电流极性相同的孔放置的尽量远。

用短而宽的走线来连接孔和电容引脚。

把电容摆放在PCB的表面(顶层和底层)尽量靠近他们相应的电源/地平面。这样能减小孔之间的距离。在电源/地之间用薄的电解质。

改善孔的间距和长度,优化电源和地之间的距离以及过孔到电容引脚之间的走线距离。

好的设计的走线的电感比差的设计的走线电感要小大约7.65倍。由于减少了走线长度,在PCB板上减少了从电容安装的底层表面到最近的平面层的厚度,这就达到了目的。由于设计人员已经优化了电源和地之间的电解质层厚度,传播电感就会大大的减小。由于孔间距和孔长度大大的减小,那么过孔的回路电感也得到了显著改善。相比差的设计,由于7个主要因素的其中之一减少,非常好的设计情况的总回路电感就被减少了。.

在PCB板上,额外的过孔回路电感通过安装电容被引入,这样就降低电容的谐振频率。当你在设计电源分配网络(PDN)时,必须要考虑到这个因素。在高频设计的时候,减小回路电感是降低阻抗的唯一能看得见的方法。

对于给定的电源,相比较非常好的设计和差的设计情况,PDN工具产生的报告显示非常好的设计的PCB截止频率会更高。这也许与预期的结果是相反的,因为相对于对低截止频率的去耦,对较高截止频率的去耦需要更多的电容。

对于非常好的设计的情况,较高的截止频率意味着能对较高频率进行去耦。摆放在PCB板上的电容对噪声直到一个较高频都有去耦效果。

对于差的设计的情况,对超过较低截止频率的PCB板不能去耦。任何额外的电容增加,即增加超过截止频率的去耦电容只能增加BOM成本而对去耦效果没有任何影响。相对于非常好的设计,对于差的这种设计情况,其电源分配网络的设计对于某一特定频率的噪声更容易受到影响

作为另外一个例子,假设一块20层的PCB板总共有115mil的厚度。电源层在第3层。从第一层(FPGA在的这一层)到第3层的厚度有12mil。那么从底层到第3层的厚度就是103mil。电源和地层被3mil后的电介质分离开。对于这种轨迹的BGA孔的电感大小为5nH(对于这种电源轨迹5对孔)。为了应对第一层比较紧密的布局布线区域,与之相关联的去耦电容都安装在底层。由于这样安装会有很长的过孔,这种权衡设计导致了很高的电容安装电感值。经过充分优化后,0402封装的电容在底层的安装电感是2.3nH,而同样的电容放在第一层的安装电感是0.57nH。

为了改善这种给轨迹的PDN效果,你可以把一些高频电容放置在第一层,同时把中频和bulk电容还是放在原来的位置上即底层。这种电路设计对PDN是截止的解决方法,因为高频电容是在截止频率以下作为第一响应的电容。电容的效果依赖于总的回路电感(电容的安装电感+传播电感+BGA孔的电感)与FPGA。你可以把高频电容放在第一层并离FPGA稍微远一点点的地方。电容放在FPGA breakout区域外的传播电感是0.2nH。相对于原来放置在底层的方法,这种新的放置方法还是有益的,因为总的回路电感(0.57nH+0.2nH+0.05nH=0.82nH)比放置在底层的时候的总电感要小。

PCB板的传播电感是与设计是相关,电源和地平面间的介质中它是均匀存在的。3mil厚度或者更薄的厚度是最佳的减小平面传播电感的设计。你可以根据如下的设计指导来提升PDN的性能。

如下的是关于顺序重要性的设计指导,从第一层到底层—在第一层的设计指导是最重要的。

减小电源和地层间电介质厚度。当设计板子的叠层时,确定电源、层和其他的层。举一个例子,如叠层PWR1 - GND1 - SIG1 - SIG2- GND2 - PWR2要优于PWR1 - SIG1 - GND1 - SIG2 - GND2 - PWR2这种叠层。第二种情况的结果是没有对电源和地之间的距离优化的设计。这样的设置会导致大电容传播电感在PWR1/GND1之间比在PWR2/GND2之间的电感大。你可以在电源和地平面之间找到一种典型的3mil的电介质厚度而不增加额外的成本。对于额外的性能改善,考虑比3mil更薄的电介质厚度。但是,这会导致PCB的成本上升。

当选定电容的时候,选择多个电容值,而不是选择一个相同值的大电容来达到目标阻抗。在PDN中,阻抗的峰值是由谐振反应形成的。高ESR在谐振频率点能抑制谐振,因此减少阻抗峰值的高度。在电容的谐振频率处和阻抗峰值处,用一些电容值相同的电容能截止的减少ESR。

在一个很宽的频率范围内,选择多种电容值的电容种类,能维持一个相对高的ESR。

选择放置高频电容的位置,以减少整个回路电感。整个电感是由电容的ESL、安装电感、传播电感和BGA的过孔电感组成的。在放置电容时优先放置高频电容,其次是中频和低频电容。

分割平面时最好让平面的形状是方形。不要设计成狭长的平面形状,因为这样做会限制电流的大小和增加平面的传播电感。中频和低频的电容对于如何放置没有那么的敏感。可以把他们放在离FPGA稍微远一点的地方。

文章来源:EDA设计智汇馆