提取连接器的环路互感 - 浅析连接器设计中的并发开关噪声

　　提取连接器的环路互感

　　在普通2mm间距的连接器模块，这种连接器典型的管脚长度大约是25mm左右。如图3所示，评估互感的值，可以将连接器实际的物理设计转换为保留导体所有几何特性的三维实体模型。

　　采用三维场提取工具从导体的实体模型中提取出局部的电感矩阵。有关连接器电感特性方面的问题都包含在这一个电感矩阵中。矩阵对角线上的元素是其局部自感，而不在对角线上的元素则是每管脚对之间的局部互感。

　　20个管脚的连接器的完整电感矩阵如图4所示。局部电感的概念在分析连接器和IC封装的电气性能方面非常有效。一个信号与另一个相邻的信号之间共用同一个返回路径的情况很常见。管脚对1和2是变化的环路（信号会发生跳变），而管脚对2和3则是静止的环路（信号不发生变化）。

　　这两个路径之间的互感为：LAB=（L31-L32）+（L22- L21）-L22

　　

　　图4：连接器中的所有20个管脚的局部互感矩阵。

　　从场提取工具产生的表格中，可以找到该连接器的下述电感值：

　　L31=7.9nH

　　L32=10.9nH

　　L21=10.9nH

　　L22=19.9nH

　　L41=6.3nH

　　L42=7.9nH

　　根据上述数值可以计算出互感值是6nH。这就是共用同一个返回路径的两个信号路径之间的互感值。与最初估算的1.2nH相比，6nH太大。如果应用在这样的设计环境下，可以肯定该连接器不能正常工作。

　　当然，如果有足够的理由确实要在设计中运用这种连接器，一种办法是确保每一个信号都有各自独立的返回路径。在这种情况下，一个环路使用管脚1和2，而另一个环路则使用管脚3和4。两个环路之间的互感如下计算：LAB =（L31-L32）+（L42-L41）

　　这样计算出来的互感值是1.4nH。可见仅仅通过为每一个信号提供各自独立的信号返回路径，就可以将开关噪声减少四倍。考虑到其它信号路径信号同时变化的可能性，可以看到即便是1.4nH这么小的值仍然会产生3到5倍这么大的开关噪声。

　　现在已经非常清楚，对高速设计而言，常规的连接器按照常规的用法显然不能满足要求。任何可能降低管脚对之间互感的可行方法都应该考虑。

　　减小互感

　　原则上可以采取两种方法来减少连接器的互感。

　　1. 要确保尽可能短的路径。Packard-Hughes公司的Gold Dot连接器、Thomas和Betts公司的Metal Particle Interconnect（MPI）连接器就是采用了这种关键技术。而Tessera公司推出的CSP器件封装的一个重要特征就是具有非常短的引线长度。

　　在这些技术中总的引线长度可以缩短到1mm。仅仅引线长度一项就可以将上面实例中相邻信号和返回路径环路之间的互感减小为上述电感数值的二十分之一。

　　2. 要降低每一个信号与对应的返回路径的特征阻抗。环路之间的互感与最小环路的自感成比例，减小一个管脚对的环路自感就等于是降低信号通路的特征阻抗。

　　SamTec公司的连接器就采用了这样的技术，这种连接器采用又宽又短的引线作为返回路径。因此，器件封装向采用内部返回路径层的BGA封装转移，或者从单层金属的TBGA向双层金属的TBGA封装转移。

　　从上面的实例中可以看出，信号和返回路径管脚的分配同样也能影响最终的信号路径之间的互感。对于一个确定的连接器来说，管脚的选择可以用来优化系统的性能。然而如果具备足够的管脚做更加灵活的信号和返回路径分配，那么系统设计工程师通常总会选择分配更多的信号管脚。

　　对连接器厂商提供参数的评估

　　假定已经对电路板设计进行了优化，并且已经估算出相邻信号环路之间允许的最大互感值，那么，要告诉元器件厂商：所需要的连接器必须保证相邻信号环路之间的互感值小于1nH。

　　连接器厂商和IC封装厂商通常都在机械工程和生产制造方面非常精深，但不是特别了解有关的电气特性，甚至可能并不知道他们应该提供连接器的互感特征。有的时候，这些器件厂商也提供管脚对之间的串扰电压信息。正如前面所看到的那样，这些值跟信号的上升时间、阻抗以及信号和返回路径对的分配都有很大关系。如果厂商给出特殊情况下的值与你的具体应用要求不一样的话，该如何评估这些值？

　　用户总是主动去获取所需要的精确信息，即信号与返回路径环路之间的互感。而且应该向元器件厂商明确提出这是非常重要的一个设计指标，如果元器件厂商不提供这些信息的话，你就不能够评估厂商提供的元器件能否在你的设计应用中正常工作？

　　如果厂商提供了这些指标，也可以进一步地查明厂商是如何获得这些参数的：是通过测量还是通过计算？如果是通过测量方法获得的话，厂商是否采用了业界标准的测量流程？如果是通过计算获得的，这些值的获得是否是一种近似（就如同所有的计算公式一样）？它是否通过场提取方法获得？厂商是否提供任何的支持文档资料来证实他们的建模过程符合实际的情况并且同生产制造的元器件性能相吻合？如果厂商不能提供这些信息，应该建议该厂商采用独立的实验室服务或者是顾问服务来帮助他们提供这些信息。

　　在最后的分析中，要选择那些不仅能够提供符合你设计系统要求的性能指标，同时也能够给你信心保证在你的系统中可以一次性成功的连接器厂商。产品合格与资料齐全、准确详实同样重要。