PCB设计寄生電(diàn)阻，電(diàn)感和電(diàn)容

2020-09-08

许多(duō)设计人员习惯于根据電(diàn)路模型来思考系统行為(wèi)。这些模型和電(diàn)路图在某种程度上都是正确的，但是它们缺少一些确定系统行為(wèi)的重要信息。電(diàn)路图中缺少的信息是实际PCB布局的几何形状，它决定了系统中的元素如何相互電(diàn)和磁耦合。

那么，是什么导致真正的PCB或IC中的電(diàn)路元件，导體(tǐ)，铁氧體(tǐ)和其他(tā)复杂结构之间发生電(diàn)磁场耦合呢(ne)？这是由電(diàn)磁场和物(wù)质之间的相互作用(yòng)决定的，但是在复杂系统中总结信号行為(wèi)的概念性方法是根据寄生電(diàn)路元件或简称寄生来考虑耦合。将寄生效应引入電(diàn)路模型可(kě)帮助您解释真实系统中意料之外或不期望的信号和電(diàn)源行為(wèi)，从而使寄生建模工具对于理(lǐ)解電(diàn)路和产品行為(wèi)非常有(yǒu)帮助。

这是因為(wèi)電(diàn)路图根本无法说明实际PCB，IC或任何其他(tā)電(diàn)气系统的某些重要功能(néng)。寄生在電(diàn)路图中表示為(wèi)電(diàn)阻器，電(diàn)容器和電(diàn)感器，具體(tǐ)取决于它们在频域中的行為(wèi)。请注意，几乎完全按照LTI電(diàn)路来讨论寄生，这意味着寄生也被视為(wèi)線(xiàn)性且随时间变化的。时变和非線(xiàn)性寄生虫采用(yòng)更复杂的建模技术，其中涉及时域中的手动迭代。它们对系统的初始条件也可(kě)能(néng)非常敏感，尤其是在存在反馈的情况下。

尽管实际的PCB很(hěn)复杂，但LTI系统涵盖了绝大多(duō)数实用(yòng)的電(diàn)气系统。确定寄生效应实际上就是确定系统的频率行為(wèi)，因為(wèi)寄生元件对信号的影响是频率的函数。通过将[理(lǐ)想系统+可(kě)能(néng)的寄生虫]的频率行為(wèi)与[实际系统测量]进行比较，可(kě)以确定可(kě)能(néng)的寄生虫在系统中产生与频率有(yǒu)关的行為(wèi)。

是什么决定了寄生，電(diàn)路图中未考虑什么？

实际系统的很(hěn)多(duō)方面都会在PCB布局，IC或任何其他(tā)電(diàn)气系统中产生意外的寄生现象。重要的是在尝试使用(yòng)SPICE仿真提取寄生效应之前，请注意電(diàn)路图中无法考虑的内容。

几何。各种导體(tǐ)之间的距离，它们在板上的布置以及它们的横截面积将决定DC電(diàn)阻，寄生電(diàn)容和寄生電(diàn)感。

介電(diàn)常数。PCB電(diàn)介质的介電(diàn)常数高，这决定了電(diàn)路元件之间的寄生電(diàn)容。

磁导率。对于磁性元件，导磁率在确定信号和功率行為(wèi)方面也起着作用(yòng)，因為(wèi)这些元件会产生寄生電(diàn)感。在高频下工作时，铁氧體(tǐ)变压器和其他(tā)磁性元件可(kě)以像電(diàn)感器或辐射器一样工作。 

行波行為(wèi)。在实际PCB和互连中传播的任何信号都是传播波形。電(diàn)磁波的传播会在互连中产生传输線(xiàn)效应，无法用(yòng)简单的電(diàn)路图对其进行建模。需要修改您的SPICE仿真，以考虑波形的有(yǒu)限速度。

诸如纤维编织效应之类的事情，特别是在PCB基板内的现象，很(hěn)难通过電(diàn)路模型或布局后仿真来轻松模拟，因為(wèi)涉及的電(diàn)路模型可(kě)能(néng)变得很(hěn)棘手。但是，電(diàn)路仿真可(kě)以帮助您广泛检查PCB中与频率有(yǒu)关的行為(wèi)。可(kě)以很(hěn)容易地确定其他(tā)寄生虫，例如集成電(diàn)路上的输入/输出電(diàn)容或键合線(xiàn)電(diàn)感，因為(wèi)可(kě)以肯定地知道寄生虫的类型及其位置。

下面的示例示意图显示了用(yòng)于检查和解释集成電(diàn)路中接地反弹的典型電(diàn)路模型。由于接地导線(xiàn)中的寄生電(diàn)感（在示意图中标记為(wèi)L）而产生这种效应。但是，在存在接地反弹的情况下，電(diàn)路中还有(yǒu)其他(tā)影响電(diàn)路行為(wèi)的因素。由于集成電(diàn)路上的引脚，驱动器输出和负载输入处的两个電(diàn)容器模拟了寄生電(diàn)容。I / O線(xiàn)上的電(diàn)阻器模拟其寄生直流電(diàn)阻。

寄生提取的目标通常是对系统的频率相关行為(wèi)进行估算，以便将系统在某些频率范围内广义地描述為(wèi)電(diàn)容性或電(diàn)感性。使用(yòng)上面显示的示意图类型，您可(kě)以通过将模拟结果与实验测量值进行比较来提取寄生效应（请参见下面的方法2）。只需使用(yòng)频率扫描来模拟電(diàn)路，或使用(yòng)脉冲来為(wèi)電(diàn)路提供瞬态分(fēn)析。然后，您需要将结果与测量数据进行比较，以确定系统中的寄生因素。

有(yǒu)两种方法可(kě)以提取SPICE中的寄生虫。这两项都需要对系统中可(kě)能(néng)存在的寄生虫有(yǒu)所了解，或者需要与完成的PCB布局的测量结果进行比较：

分(fēn)析方法。这涉及使用(yòng)解析方程来计算平凡或非平凡的電(diàn)路模型的频率相关行為(wèi)。组件值通常是根据数据表或先前的经验得出的。 

回归方法。尽管已知描述寄生電(diàn)路和测量值之间关系的通用(yòng)模型，但在未知寄生電(diàn)路元件的等效值时使用(yòng)该方法。标准回归方法可(kě)用(yòng)于确定模型与数据之间的一致性。 

在即将到来的示例中，我们将考虑如何运行两种方法所需的PSpice仿真。我们将假定各种可(kě)能(néng)的值，并使用(yòng)SPICE仿真检查频率响应，而不是為(wèi)各种寄生虫假设单个值。结果可(kě)用(yòng)于构建描述電(diàn)路频率响应如何取决于特定寄生值的模型，然后可(kě)将其用(yòng)于从测量数据计算寄生值。

示例：電(diàn)容器自谐振频率

作為(wèi)示例，让我们看一下如何通过识别電(diàn)容器的自谐振频率来提取電(diàn)容器中的寄生電(diàn)容。自谐振是高频電(diàn)容器中的一种众所周知的现象，由于寄生串联電(diàn)阻和電(diàn)感而产生。在下面的示意图中，我们有(yǒu)一个额定值為(wèi)4.7 pF的電(diàn)容器，并且我们希望提取寄生電(diàn)感和電(diàn)阻。

在这里，我们要扫描源的频率，同时还要扫描寄生值。这是通过频域中的参数扫描完成的，这将為(wèi)我们的当前测量提供一组曲線(xiàn)。然后可(kě)以将它们用(yòng)于提取自谐振频率和ESL值。為(wèi)此，您需要為(wèi)要扫描的每个组件值设置一个全局参数。这是通过将PARAM零件添加到原理(lǐ)图，然后在组件值中输入参数名称来完成的。

以下曲線(xiàn)集显示了将電(diàn)感器值从1 nH扫描到100 nH时获得的结果。電(diàn)源提供的電(diàn)流绘制在y轴上。一旦获得此数据，便可(kě)以将其与测量数据进行比较，以确定電(diàn)容器寄生電(diàn)感的真实值。

上面示意图中電(diàn)容器的自谐振曲線(xiàn)。

您可(kě)以对電(diàn)阻扫描使用(yòng)相同的过程来确定ESR的真实值。例如，回到地面反弹图，您可(kě)以扫描寄生電(diàn)容值，并将结果与测得的信号进行比较（例如，在示波器走線(xiàn)上）。

从SPICE模拟中提取的数据可(kě)用(yòng)于分(fēn)析方法或回归方法。在分(fēn)析方法中，只要存在作為(wèi)寄生值的函数的频率响应模型（在这种情况下為(wèi)電(diàn)容器自谐振频率），就可(kě)以从模拟响应中直接计算寄生值。在上面的示例中，我们希望将测得的阻抗或自谐振与仿真值进行比较，以确定寄生虫的准确值。

如果模拟曲線(xiàn)与测量曲線(xiàn)非常相似，则说明模型可(kě)以高精度地说明電(diàn)路的行為(wèi)。在实践中，您将不会有(yǒu)如此完美的匹配，因此您必须将模拟数据（在这种情况下為(wèi)自谐振频率）拟合到模型（通常是線(xiàn)性或幂定律）。然后，您可(kě)以将测量数据中的观测值插入模型中，以计算相关寄生物(wù)的值。类似的技术可(kě)以用(yòng)于其他(tā)测试和环境。

何时返回布局

在某些时候，实际的PCB布局变得如此复杂，以至于试图通过拟合等效電(diàn)路模型来提取寄生效应变得很(hěn)棘手。从技术上讲，您可(kě)以编写一个程序来对数据和一些预定义的试验模型进行重复拟合，但是您的程序仍必须确切猜测是什么寄生物(wù)及其等效電(diàn)路布置（并联，串联或非平凡）产生了信号行為(wèi)。此时，替代方法是返回到场求解器以从PCB布局中提取寄生效应。

在布局后视图中提取寄生虫非常简单。只需选择要分(fēn)析的互连并运行自动提取工具。集成的场求解器将直接根据Maxwell方程式计算PCB布局中的等效寄生效应。您无需使用(yòng)回归来拟合電(diàn)路模型即可(kě)检查PDN阻抗，走線(xiàn)阻抗，互耦以及其他(tā)影响信号行為(wèi)的因素。下面显示了一个示例，该示例显示了在PCB布局中绘制為(wèi)热图的耦合强度。