PCBスルーホールのインダクタンス解析

デジタル PCB 回路設計者にとって、PCB スルーホールのインダクタンスはキャパシタンスよりも重要です。 各 PCB スルー ホールには、中間に接続された寄生インダクタがあります。 PCB スルー ホールの物理的構造は小さいため、その特性は非常にピクセルの集中回路部品です。 PCB スルー ホールの直列インダクタンスの主な影響は、PCB 電源バイパス コンデンサの有効性を低下させることです。これにより、電源全体のフィルタリング効果が悪化します。

バイパス コンデンサの目的は、高周波帯域で 2 つの電源プレーンを一緒に短絡することです。 PCB 集積回路が点 a で電源とグランド プレーンの間に接続されていると仮定すると、点 b に理想的な表面実装バイパス コンデンサが存在します。 PCB チップのはんだ接合部の VCS とグランド プレーンの間の高周波インピーダンスはゼロであることが期待されます。 しかし、そうではありません。 キャパシタンスを VCC およびグランド プレーンに接続する各接続スルー ホールのインダクタンスは、小さいが測定可能なインダクタンスを導入します。 このインダクタンスのサイズはおよそ次のとおりです。

ここで、l=スルーホール インダクタンス、nh

H=貫通穴の長さ、インチ

D=貫通穴の直径、インチ

上式には対数が含まれているため、基板のスルーホール径の変化はインダクタンスにほとんど影響を与えませんが、スルーホール長の変化は大きな変化を引き起こす可能性があります。

PCB スルーホールの信号に対する誘導性リアクタンスで、立ち上がりエッジ速度は 1ns です。 最初にインダクタンスを計算します。

H=0.063 (貫通穴の長さ、インチ)

D=0.016 (貫通穴径、インチ)

T10~90%=1.00 (立ち上がり速度、ns)

チップからの高周波電流をシャントすることにより、3.8 Ω の値は十分に低くありません。 同時に、バイパス コンデンサの一方の端は通常、スルー ホールを介してグランド プレーンに接続され、もう一方の端もスルー ホールを介して +5v プレーンに接続されていることに注意してください。 - ホールのインダクタンスは 2 倍になります。 バイパス コンデンサは、電源とグランド プレーンに最も近いボードの側面に取り付けられ、その影響を軽減します。 最後に、コンデンサとスルーホールの間のリードにより、インダクタンスが追加されます。 これらの PCB 配線は、常にできるだけ広くする必要があります。

電源とグランドの間に複数のバイパス コンデンサを使用することにより、非常に低いインピーダンスを得ることができます。 デジタル製品の場合、原則として、電源とグランドプレーンは理想的な導体であり、インダクタンスはゼロであると想定されています。 バイパス コンデンサとそれに関連する配線およびスルー ホールのインダクタンスのみを考慮します。 特定の範囲では、すべてのバイパス コンデンサが並列に接続され、電源とグランドの間のインピーダンスが減少します。 この効果を生み出す有効半径は 1/12 に等しく、ここで 1 は立ち上がりエッジの電気的長さです。 直径の 1/6 以内で、すべてのコンデンサが集中回路として使用されます。

fr-4 材料での 1ns 立ち上がりエッジの伝搬長は、約 1=6in です。 この例では、コンデンサのグリッド間隔が 1/12=0.5 インチより大きい場合、利点はありません。

電源のバイパスコンデンサは立ち上がり時間が短いほどバイパスしにくくなります。 立ち上がり時間を短くすると、有効半径の値が小さくなります。 有効半径内のコンデンサの数は、立ち上がり時間の 2 乗で減少します。

これは包括的な問題です。 立ち上がり時間が減少すると、デジタル回転周波数が増加し、各回路基板のスルーホールのインダクタンスが増加します。 最終的な結果は、特定の周波数で動作するバイパス コンデンサの特定の構成では、立ち上がり時間を半分にすると、影響が 8 分の 1 に減少するということです。 この比率基準によれば、1 つの動作周波数範囲から得られた経験を新しい動作周波数範囲に簡単に変換できます。