[SI-LIST] Re: First-order modelling of parallel-plate capacitance

  • From: Larry Smith <larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: "dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx>, "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>, "istvan.novak@xxxxxxxxxxx" <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
  • Date: Tue, 16 May 2017 18:18:16 +0000

Martin – Istvan has given you a good rule of thumb for the sheet inductance of 
PCB power planes.  It is 33 pH per square for 1 mil thick dielectric, double 
that for 2 mil dielectric.  Inductance is the most important PDN property for 
the board power planes.  As you mention, we might get 400 pF per square inch 
power plane capacitance.  But in most cases, the board power plane capacitance 
pales in comparison to on-die capacitance which is likely to be 10’s or even 
100’s of nF.  With the on-die capacitance being much more than the board power 
plane capacitance, you can see why the most important property of the of the 
power planes is inductance.
The main function of the board power planes (at least for power integrity 
concerns) is to bring current (charge) stored in board capacitors to the die 
load.  Well mounted board capacitors may have 500 pH of inductance.  If we put 
10 caps in parallel, the effective mounted inductance is 50 pH.  Note that this 
is less than the expected 66 pH per square of 2 mil dielectric power planes.  
If we use just one square of PCB power plane to hook up 10 caps, the dominant 
inductance is in the power planes.  Additional caps only provide marginal PDN 
improvement when the dominant inductance is in the plane.

One additional relevant comment is that the board power plane capacitance forms 
a parallel resonant peak with inductance of all the mounted board caps.  This 
is an LC resonance that is almost always lower frequency than any board cavity 
resonances that are associated with the dimensions of the power planes.  For 
power integrity purposes, this is the resonant peak to watch out for.  It is 
best to minimize the power plane area, which minimizes the board capacitance 
and moves this LC resonant peak up to a higher frequency.  We want the board LC 
resonance to be at a higher frequency than the resonant peak between the on-die 
capacitance and inductance to board caps.

In other words, the capacitance from the board power planes is more of a 
problem for us than it is a benefit.


regards,

Larry Smith


________________________________
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx <si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx> on behalf of 
Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
Sent: Sunday, May 14, 2017 3:43 PM
To: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Re: First-order modelling of parallel-plate capacitance

Hi Martin,

In short, if we ignore the modal resonances for a second, you have
static plane capacitance and the separation-related inductance, which
forms a V-shape impedance profile, similar to that of capacitors.  The
inductance of the planes is frequency, shape and location dependent, but
for a quick guide you can use the approximate sheet inductance, which is
33pH for each miliinch of separation.  At high frequencies (which is a
relative term) you are likely beyond the first series resonance of the
planes, so the impedance is dominated by the inductive reactance, which
in turn is dependent only on the plane separation and independent of the
static capacitance.

You can find a lot of free material posted on the web on this subject,
see for instance

http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC08_Modal_Suppress_SUN.pdf

Regards,

Istvan Novak

Oracle


On 5/14/2017 2:24 PM, Martom Last (Redacted sender yahbalo for DMARC) wrote:

Hi
I'm trying to understand why, for a given laminate, a parallel plate 
capacitor with area A and plate separation distance d is a better 
high-frequency charge reservoir than a parallel plate capacitor with area 2A 
and separation distance 2d.
On page 10 in [1], Lee Ritchey states that

"Planes in parallel naturally form a capacitor. As the planes are placed 
closer together two things happen.  First, the capacitance between them 
increases and, second, their inductance decreases. When the planes are 
separated by 2-3 mils (51-76 microns) the capacitance approaches 400 pF per 
square inch (6.5 pF square cm) and the inductance becomes very low compared 
to that of discrete capacitors (a few picoHenries). It is this very low 
inductance that makes this capacitor function well into the hundreds of 
megahertz."
My guess here is that since a tightly coupled plane pair holds more charge 
per area than a loosely coupled plane pair, the current loop related to 
charge transfer to and from the plane pair, and hence the inductance, is less 
in the tightly coupled case where more local charge is available. Is this 
understanding correct?

What is the mathematical relationship between the inter-plane separation 
distance and the series inductance of the resulting capacitance?

Also, when I model my PDN in Spice I usually add an ideal "plane" capacitor, 
the value of which I base on a simple ideal parallel plate capacitor with 
area equal to the board/plane area. However, this approach does not seem to 
take into account the finite propagation velocity in a typical FR4 type 
laminate, and I'm now thinking that this ideal capacitor representation of my 
plane capacitance (as seen by a fast switching IC) should be reduced to only 
include the parallel plate disk with radius r=v*t, where v is the propagation 
velocity and t is the time it takes to move charge. Charge outside this disk 
would take longer than the rise time of the signal and be invisible. Does 
this make sense?
[1] Designing a Power Delivery Subsystem (2011, Lee Ritchey)

Regards,
Martin
------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
               http://www.freelists.org/archives/si-list
Archive for si-list - FreeLists<http://www.freelists.org/archives/si-list>
www.freelists.org
Archive for si-list. Home; si-list; Archive; Browse by month




Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
               http://www.qsl.net/wb6tpu
The WB6TPU RF and High-Speed Interconnect Site<http://www.qsl.net/wb6tpu>
www.qsl.net
Contains past message traffic from si-list. si-list is a Signal Integrity 
mailing list dedicated to the technical discussion of high-speed digital and RF 
phenomena as ...







------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list
[https://s1.yimg.com/dh/ap/default/130909/y_200_a.png]<http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list>

Yahoo! Groups<http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list>
tech.groups.yahoo.com
/




List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list
Archive for si-list - FreeLists<http://www.freelists.org/archives/si-list>
www.freelists.org
Archive for si-list. Home; si-list; Archive; Browse by month




Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                 http://www.qsl.net/wb6tpu
The WB6TPU RF and High-Speed Interconnect Site<http://www.qsl.net/wb6tpu>
www.qsl.net
Contains past message traffic from si-list. si-list is a Signal Integrity 
mailing list dedicated to the technical discussion of high-speed digital and RF 
phenomena as ...






------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                http://www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: