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寄生电感怎么产生的_寄生电感产生原因是什么

2018年03月28日 14:50 网络整理 作者: 用户评论(0

  寄生电感简介

  寄生电感一半是在PCB过孔设计所要考虑的。

  在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

  L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

  寄生元件危害最大的情况

  印刷电路板布线产生的主要寄生元件包括:寄生电阻、寄生电容和寄生电感。例如:PCB的寄生电阻由元件之间的走线形成;电路板上的走线、焊盘和平行走线会产生寄生电容;寄生电感的产生途径包括环路电感、互感和过孔。当将电路原理图转化为实际的PCB时,所有这些寄生元件都可能对电路的有效性产生干扰。本文将对最棘手的电路板寄生元件类型―寄生电容进行量化,并提供一个可清楚看到寄生电容对电路性能影响的示例。

寄生电感怎么产生的_寄生电感产生原因是什么

  图1在PCB上布两条靠近的走线,很容易产生寄生电容。由于这种寄生电容的存在,在一条走线上的快速电压变化会在另一条走线上产生电流信号。

  基于DDS的寄生电感测量仪设计

  实际电容由于制造的工艺导致本身存在寄生电感和寄生电阻,其等效电路模型如图1所示。

寄生电感怎么产生的_寄生电感产生原因是什么

  其中C为实际电容本身的标称电容,L是其寄生电感,Rp是其并联等效电阻,Rs是其串联等效电阻。寄生电阻会对经过电容的信号造成衰减,但不会影响电容本身的频率特性。寄生电感会与电容构成串联谐振回路,会使实际的电容在某个频率上发生谐振,这种现象称为电容的自谐振。

  电容的寄生电感产生原因或产生方式

  电容器的寄生电感一般是由器件的电极和引线的残余电感引起的,其电感值不会随频率变化,但由电感引起的等效阻抗会随频率增加而增大,如Z=2pai*f*L。

  电容为什么有寄生电感,主要是电容体的卷曲结构带来的电感,其次是引脚电感。无论是有极性还是无极性电容,为了获得较大的容值,都需要制作非常大的面积,而为了压缩体积,就要降很大的面积反复卷曲折叠,这个卷曲折叠的结构是电容等效电感的主要来源。

  拆开一个薄膜电容,里面是一个塑料薄膜,两侧镀有金属,形成了平板电容器。然后卷成一个小卷,塞到电容外壳里,引出两个引脚。任何导体都会有电感,引脚也不例外,引脚越长,带来的电感越多。

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  PCB过孔的寄生电容和电感的计算

  CB过孔本身存在着寄生电容,假如PCB过孔在铺地层上的阻焊区直径为D2,PCB过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,基板材介电常数为ε,则PCB过孔的寄生电容数值近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)PCB过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度尤其在高频电路中影响更为严重。举例,对于一块厚度为50Mil的PCB,如果使用的PCB过孔焊盘直径为20Mil(钻孔直径为10Mils),阻焊区直径为40Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出PCB过孔的寄生电容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.040-0.020)=0.31pF这部分电容引起的上升时间变化量大致为:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.31x(50/2)=17.05ps从这些数值可以看出,尽管单个PCB过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用PCB过孔进行层间的切换,就会用到多个PCB过孔,设计时就要慎重考虑。实际设计中可以通过增大PCB过孔和铺铜区的距离(AnTI-pad)或者减小焊盘的直径来减小寄生电容。

  PCB过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,PCB过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的经验公式来简单地计算一个PCB过孔近似的寄生电感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指PCB过孔的电感,h是PCB过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,PCB过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是PCB过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出PCB过孔的电感为:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个PCB过孔,这样PCB过孔的寄生电感就会成倍增加。

  PCB过孔的寄生电容和电感的使用

  通过上面对PCB过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速PCB设计中,看似简单的PCB过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小PCB过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:

  1.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的PCB过孔大小。必要时可以考虑使用不同尺寸的PCB过孔,比如对于电源或地线的PCB过孔,可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗,而对于信号走线,则可以使用较小的PCB过孔。当然随着PCB过孔尺寸减小,相应的成本也会增加。

  2.有以上两个公式得出,薄的PCB板有利于减小PCB过孔的两种寄生参数。

  3.在PCB设计中PCB上的信号走线尽量在同一层面上,以减少PCB过孔产生的寄生效应。

  4.在信号换层的PCB过孔附近放置一些接地的PCB过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上放置一些多余的接地PCB过孔。

  5.电源和地的管脚要就近打过孔,PCB过孔和管脚之间的引线越短越好。可以考虑并联打多个PCB过孔,以减少等效电感。

  6.对于密度较高的高速PCB板,可以考虑使用微型PCB过孔

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( 发表人:姚远香 )

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