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

  • From: "Martom Last" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "yahbalo" for DMARC)
  • To: "larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" <larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx>, "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>, "istvan.novak@xxxxxxxxxxx" <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>, "steve@xxxxxxxxxxxx" <steve@xxxxxxxxxxxx>
  • Date: Tue, 16 May 2017 22:26:27 +0000 (UTC)

Istvan,
I don't know what I expected, but the stated approximatesheet inductance value 
of 33pH per mil of separation distance (or 1.3 pH permicrometer) is 
surprisingly high--at least compared to zero! I note that thederivation of this 
rule of thumb [1] assumes uniform current flow across thesquare. But, if I'm 
not mistaken, uniform current flow in turn implies uniforminductance (current 
follows the path of least impedance), making the reasoning looksomewhat 
circular to me. Maybe I'm not thinking straight here, but I struggle abit to 
wrap my head around it completely. It is also not clear to me how theuniform 
current flow assumption holds up as the frequency goes up--myunderstanding is 
that current flows in increasingly confined paths of lowinductance loops which, 
to my mind, is the opposite of uniform current flow.Isn't this problematic when 
it is precisely at high frequencies this planecapacitance is supposed to be 
beneficial.
Larry,
In my particular case, there is no on-die capacitance that Iknow of. My newly 
added plane inductance did, however, stick out like a sorethumb in my (Spice) 
model when seen side-by-side with the discrete capacitors.As a side-note, my 
usual modelling strategy with the discrete 0402 caps is toplug in the via 
parameters into Saturn PCB Design tool and adjust via height tomatch the 
distance to the nearest plane (ignoring the stub), and then plug thisinductance 
value into Spice as an additional ESL to whatever is in thecapacitor model from 
the vendor. I get ESL values near what you mention (500pH)so I hope the method 
I use is not too bad.
Apart from that, I'm still trying to come to terms with yourpost which was 
clearly a bit too much to process for mysleep-deprived-father-of-a-two-year-old 
mind. Having ready your post multipletimes, I'm still reading it as an advocate 
for loosely coupled PWR-GND planes,and that we'd be better off without plane 
capacitance altogether because a)discrete caps offer a lower total ESL which is 
trumped (sorry) by the planeinductance, and b) the too-low-to-be-of-any-use 
plane capacitance is stilllarge enough to form a resonating tank at frequencies 
where we don't want them.
In the paper Istvan linked to, there was a sectionabout the impact of increased 
plane size on resonance suppression. How does that play with what you are 
saying here? 
Steven,
I'll come back to your comment about the shortcomings ofSpice at a later time. 
I want to sort out the fundamentals first.
 Â [1] 
http://www.edn.com/electronics-blogs/all-aboard-/4434907/Sheet-inductance-of-a-cavity--Rule-of-Thumb--16Â
  
Regards,Martin

    On Tuesday, May 16, 2017 8:19 PM, Larry Smith 
<larry.smith@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> wrote:
 

 Martin â€“ 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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  Â  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:
  Â  Â  Â  Â  Â  Â  http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

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



   
------------------------------------------------------------------
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: