Induktivitätskapazität und Widerstand einer Leiterplattenstruktur

Parasitäre Parameter einer Leiterplatte

EMI oder elektromagnetische Störung ist ein unerwünschtes elektromagnetisches Rauschen von einem Gerät oder System, das den normalen Betrieb benachbarter Geräte oder Systeme stört.
Der grundlegende Prozess der EMI-Modellierung und -Vorhersage erfordert die Extraktion parasitärer Parameter einer Leiterplatte und von Schaltungskomponenten, um Hochfrequenzschaltungsmodelle zu erstellen.

Parasitäre Kapazität, parasitärer Widerstand und parasitäre Induktivität

In der Electronic Design Automation (EDA) ist die parasitäre Extraktion die Berechnung der parasitären Effekte sowohl in den entworfenen Geräten als auch in den erforderlichen Verdrahtungsverbindungen einer elektronischen Schaltung: parasitäre Kapazität, parasitärer Widerstand und parasitäre Induktivität. In diesem Artikel veranschaulichen wir die Verwendung von EMS zur Berechnung dieser Schaltkreisparameter und zum Vergleich der Ergebnisse mit veröffentlichten Daten [1].

Soildworks PCB-Modell

Eine in Abbildung 1 gezeigte Leiterplattenstruktur enthält zwei Kupferspuren auf einer quadratischen 4-Unzen-FR4-Leiterplatte und einen Kupfergrund mit einer Dicke von 5 mil. Einige in der Simulation verwendete Parameter sind nachstehend angegeben, wobei alle Abmessungen in mil angegeben sind.
Leitfähigkeit von Kupfer=5,8 · 10 &sup7; S/m
Relative Permittivität von FR4=4.4

Abbildung 1 - Eine für die Simulation verwendete Leiterplattenstruktur, bei der alle Abmessungen in mil angegeben sind

Kapazitätsberechnung

Um die parasitäre Kapazität der PCB-Struktur zu berechnen, die in 1 gezeigt ist, wird das elektrostatische Modul aufgerufen. Abbildung 2 zeigt das Modell und das Netz für die Leiterplattenstruktur.

Abbildung 2 - Modell und Gitter der Leiterplattenstruktur

Drei schwimmende Leiter

Um die Kapazität eines bestimmten Leiters zu berücksichtigen, wird ihm in EMS eine schwebende Randbedingung einschließlich der Masseebene zugewiesen. Infolgedessen weist diese PCB-Struktur drei floatende Leiter auf, dh die linke und rechte Leiterbahn sowie die Masseebene.
Die Ergebnisse der EMS-Kapazität und der Referenz [1] sind in Abbildung 3 und Tabelle 1 dargestellt.

Abbildung 3 - Von EMS berechnete parasitäre Kapazität

Berechnung der DC-Induktivität und des DC-Widerstands

Abbildung 4 - Von EMS berechneter Gleichstromwiderstand


Abbildung 5 - DC-Induktivität, berechnet von EMS

Die DC-Schleifeninduktivität wird durch die folgende Formel erhalten:
L _Schleife=L ₁₁ + L ₂₂ - 2 · M ₁₂ ; wobei L ₁₁ , L ₂₂ : Selbstinduktivitäten; M ₁₂ : Gegeninduktivität

Berechnung der Wechselstrominduktivität und des Wechselstromwiderstands

Zusätzlich zur DC-Induktivitäts- und Widerstandsberechnung verfügt EMS über magnetische Wechselstrom- und Wirbelstromfähigkeiten, mit denen der Wechselstromwiderstand und die Wechselstromschleifeninduktivität für die vorliegende Leiterplattenstruktur bei den Frequenzen 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz berechnet werden. 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz.

Reduziertes Modell

Aufgrund der geringen Hauttiefe des Feldes für die leitenden Bereiche, dh in der Größenordnung von 1e-005 bis 1e-004 mm, werden wichtige Computerressourcen sowohl hinsichtlich der CPU als auch des RAM benötigt. Daher wird nur 1/20 des Modells simuliert, wie in Abbildung 6 dargestellt. Die vom reduzierten Modell ermittelte Induktivität und der Widerstand werden wiederum mit 20 multipliziert, um die vollständigen Modellergebnisse zu erhalten.

Abbildung 6 - 1/20 der Struktur wurde für die magnetische Wechselstromanalyse modelliert

Abbildung 7 - Von EMS berechneter und mit der Referenz verglichener Wechselstromwiderstand [1]

Abbildung 8 - Von EMS berechnete und mit Referenz [1] verglichene Wechselstrominduktivität

Fazit

Verweise