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技術專題
PCB設計寄生電阻，電感和電容
許多設計人員習慣于根據電路模型來思考系統行為。這些模型和電路圖在某種程度上都是正確的，但是它們缺少一些確定系統行為的重要信息。電路圖中缺少的信息是實際PCB布局的幾何形狀，它決定了系統中的元素如何相互電和磁耦合。
那么，是什么導致真正的PCB或IC中的電路元件，導體，鐵氧體和其他復雜結構之間發生電磁場耦合呢？這是由電磁場和物質之間的相互作用決定的，但是在復雜系統中總結信號行為的概念性方法是根據寄生電路元件或簡稱寄生來考慮耦合。將寄生效應引入電路模型可幫助您解釋真實系統中意料之外或不期望的信號和電源行為，從而使寄生建模工具對于理解電路和產品行為非常有幫助。
這是因為電路圖根本無法說明實際PCB，IC或任何其他電氣系統的某些重要功能。寄生在電路圖中表示為電阻器，電容器和電感器，具體取決于它們在頻域中的行為。請注意，幾乎完全按照LTI電路來討論寄生，這意味著寄生也被視為線性且隨時間變化的。時變和非線性寄生蟲采用更復雜的建模技術，其中涉及時域中的手動迭代。它們對系統的初始條件也可能非常敏感，尤其是在存在反饋的情況下。
盡管實際的PCB很復雜，但LTI系統涵蓋了絕大多數實用的電氣系統。確定寄生效應實際上就是確定系統的頻率行為，因為寄生元件對信號的影響是頻率的函數。通過將[理想系統+可能的寄生蟲]的頻率行為與[實際系統測量]進行比較，可以確定可能的寄生蟲在系統中產生與頻率有關的行為。
是什么決定了寄生，電路圖中未考慮什么？
實際系統的很多方面都會在PCB布局，IC或任何其他電氣系統中產生意外的寄生現象。重要的是在嘗試使用SPICE仿真提取寄生效應之前，請注意電路圖中無法考慮的內容。
幾何。各種導體之間的距離，它們在板上的布置以及它們的橫截面積將決定DC電阻，寄生電容和寄生電感。
介電常數。PCB電介質的介電常數高，這決定了電路元件之間的寄生電容。
磁導率。對于磁性元件，導磁率在確定信號和功率行為方面也起著作用，因為這些元件會產生寄生電感。在高頻下工作時，鐵氧體變壓器和其他磁性元件可以像電感器或輻射器一樣工作。
行波行為。在實際PCB和互連中傳播的任何信號都是傳播波形。電磁波的傳播會在互連中產生傳輸線效應，無法用簡單的電路圖對其進行建模。需要修改您的SPICE仿真，以考慮波形的有限速度。
諸如纖維編織效應之類的事情，特別是在PCB基板內的現象，很難通過電路模型或布局后仿真來輕松模擬，因為涉及的電路模型可能變得很棘手。但是，電路仿真可以幫助您廣泛檢查PCB中與頻率有關的行為。可以很容易地確定其他寄生蟲，例如集成電路上的輸入/輸出電容或鍵合線電感，因為可以肯定地知道寄生蟲的類型及其位置。
下面的示例示意圖顯示了用于檢查和解釋集成電路中接地反彈的典型電路模型。由于接地導線中的寄生電感（在示意圖中標記為L）而產生這種效應。但是，在存在接地反彈的情況下，電路中還有其他影響電路行為的因素。由于集成電路上的引腳，驅動器輸出和負載輸入處的兩個電容器模擬了寄生電容。I / O線上的電阻器模擬其寄生直流電阻。
寄生提取的目標通常是對系統的頻率相關行為進行估算，以便將系統在某些頻率范圍內廣義地描述為電容性或電感性。使用上面顯示的示意圖類型，您可以通過將模擬結果與實驗測量值進行比較來提取寄生效應（請參見下面的方法2）。只需使用頻率掃描來模擬電路，或使用脈沖來為電路提供瞬態分析。然后，您需要將結果與測量數據進行比較，以確定系統中的寄生因素。
有兩種方法可以提取SPICE中的寄生蟲。這兩項都需要對系統中可能存在的寄生蟲有所了解，或者需要與完成的PCB布局的測量結果進行比較：
分析方法。這涉及使用解析方程來計算平凡或非平凡的電路模型的頻率相關行為。組件值通常是根據數據表或先前的經驗得出的。
回歸方法。盡管已知描述寄生電路和測量值之間關系的通用模型，但在未知寄生電路元件的等效值時使用該方法。標準回歸方法可用于確定模型與數據之間的一致性。
在即將到來的示例中，我們將考慮如何運行兩種方法所需的PSpice仿真。我們將假定各種可能的值，并使用SPICE仿真檢查頻率響應，而不是為各種寄生蟲假設單個值。結果可用于構建描述電路頻率響應如何取決于特定寄生值的模型，然后可將其用于從測量數據計算寄生值。
示例：電容器自諧振頻率
作為示例，讓我們看一下如何通過識別電容器的自諧振頻率來提取電容器中的寄生電容。自諧振是高頻電容器中的一種眾所周知的現象，由于寄生串聯電阻和電感而產生。在下面的示意圖中，我們有一個額定值為4.7 pF的電容器，并且我們希望提取寄生電感和電阻。
在這里，我們要掃描源的頻率，同時還要掃描寄生值。這是通過頻域中的參數掃描完成的，這將為我們的當前測量提供一組曲線。然后可以將它們用于提取自諧振頻率和ESL值。為此，您需要為要掃描的每個組件值設置一個全局參數。這是通過將PARAM零件添加到原理圖，然后在組件值中輸入參數名稱來完成的。
以下曲線集顯示了將電感器值從1 nH掃描到100 nH時獲得的結果。電源提供的電流繪制在y軸上。一旦獲得此數據，便可以將其與測量數據進行比較，以確定電容器寄生電感的真實值。
上面示意圖中電容器的自諧振曲線。
您可以對電阻掃描使用相同的過程來確定ESR的真實值。例如，回到地面反彈圖，您可以掃描寄生電容值，并將結果與測得的信號進行比較（例如，在示波器走線上）。
從SPICE模擬中提取的數據可用于分析方法或回歸方法。在分析方法中，只要存在作為寄生值的函數的頻率響應模型（在這種情況下為電容器自諧振頻率），就可以從模擬響應中直接計算寄生值。在上面的示例中，我們希望將測得的阻抗或自諧振與仿真值進行比較，以確定寄生蟲的準確值。
如果模擬曲線與測量曲線非常相似，則說明模型可以高精度地說明電路的行為。在實踐中，您將不會有如此完美的匹配，因此您必須將模擬數據（在這種情況下為自諧振頻率）擬合到模型（通常是線性或冪定律）。然后，您可以將測量數據中的觀測值插入模型中，以計算相關寄生物的值。類似的技術可以用于其他測試和環境。
何時返回布局
在某些時候，實際的PCB布局變得如此復雜，以至于試圖通過擬合等效電路模型來提取寄生效應變得很棘手。從技術上講，您可以編寫一個程序來對數據和一些預定義的試驗模型進行重復擬合，但是您的程序仍必須確切猜測是什么寄生物及其等效電路布置（并聯，串聯或非平凡）產生了信號行為。此時，替代方法是返回到場求解器以從PCB布局中提取寄生效應。
在布局后視圖中提取寄生蟲非常簡單。只需選擇要分析的互連并運行自動提取工具。集成的場求解器將直接根據Maxwell方程式計算PCB布局中的等效寄生效應。您無需使用回歸來擬合電路模型即可檢查PDN阻抗，走線阻抗，互耦以及其他影響信號行為的因素。下面顯示了一個示例，該示例顯示了在PCB布局中繪制為熱圖的耦合強度。