PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第166页
150 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 6 . 在 两个 电 容 之 间降 低 峰 值 、 并 联阻 抗 的 3 个 重要 方法是 减 少 ESL 、 使两个 电 容 值 更 接 近 、 增 加 ESR 。 当 优化 PDN 阻 抗时 ， 利 用 所有 这 些 设计 点 。 7 . 受 控 ESR 电 容 器 是帮 助 抑 制 电 容并 联 时 产 生 峰 值 阻 抗 的重要组 成 部 …
第
5
章
实用多层陶壳片状电容器的集成
149
长谐振模式的传输线性质
。
它也有助于解释为什么我们不应该通过测量去耦电容器的顶部
来进行
PDN
测量
。
有损传输线的行为像一个四分之一波长的谐振器
，
因为它的一端是开放的
，
并且连接
到另一端的低电平电路板阻抗上
，
如图
5-42
所示
。
我们通常认为电容器是一个双终端设
备
，
但实际上它是分布在这些板上的电压降
。
传输线效应是串联谐振频率下电容器两端电
压差别很大的一个原因
。
安装电容器从
SRF
中的电路板上吸收了最大的电流和能量
，
因为它处于最低阻抗
。
然
而
，
电容器的顶部具有相同频率下的最大电压
。
当将仪器连接到电容器的顶部来测量
PDN
时
，
安装电容器实际上放大了来自电路板的
PDN
噪声
。
测量的
PDN
噪声通过增强
SRF
处
的噪声并在其他频率上衰减而着色
。
查看这种情况的另一种方法是以并联和串联方式集总
RLC
组件
，
如
2.
9
节所述
。
当将
仪器连接到与电路板相反的电容器顶部来测量
PDN
电压时
，
电容与安装电感并联
。
当从
顶部观察时
，
LC
组合形成谐振频率处的并联谐振和阻抗峰值
。
这样放大了在谐振频带中
使用仪器测得的
PDN
噪声电压
。
然而
，
当从电路板的角度观察安装电容器时
，
电容器与安装电感串联并形成串联谐振
电路
。
从电路板电源平面的角度来看
，
进入电源/接地通孔的分支电流以及在通孔上测量
的电压显示出串联谐振电路中的低阻抗
。
从板的角度来看
，
相同的安装电容器从电路板的
角度看是噪声吸收器
，
但从电路板顶部俯视电容器顶部的角度看它是静噪声放大器
。
由于
不能通过将仪器连接到电容器的顶部来测量电路板电压
，
所以拆下电容器然后将仪器连接
到焊盘上要好得多
。
因此
，
无损传输线的概念和集总串联/并联谐振电路都可预测相同的事情
。
对与去耦
电容相关的噪声电压
，
从仪器俯视盖子的角度或从电路板电源平面的角度观察电容器
，
其
结果是相反的
。
有损传输线的行为就像一个四分之一波长的谐振器
，
一端连接到电路板的
低阻抗
，
另一端开路
。
集总的
LC
元件从板电源的角度来看是串联的
，
并且从连接到电容
器顶部的仪器的角度来看它是并行的
。
它们分别具有用于并联和串联
RLC
电路的预期阻抗
峰值和回落
。
5.
16
总结
1
.一个实际的电容器在低频下像一个理想的电容器
。
约在
10MHz
以上时
，
由于其串
联安装电感
，
所以它具有完全不同的阻抗行为
。
2
.
简单的理想
RLC
电路模型与实际电容器的实际阻抗特性是相当匹配的
。
这使得该
模型在对实际电容器进行单独建模或进行并联时非常有价值
。
3
.
在
RLC
电路中
，
理想电容主导低频阻抗
，
理想电感支配高频阻抗
，
而最小阻抗是
发生在自谐振频率
(SRF)
下的
ESR
处
。
4
.
当多个相同的电容器并联时
，
所得到的阻抗曲线仅是每个单独电容器的标称阻抗
。
5
.
当并行添加两个不同的电容器时
，
会出现一个新的行为
，
在各个电容器的两个
SRF
之间存在峰值阻抗
。
该峰值阻抗是
PDN
中最重要的特征
。
150
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
6
.
在两个电容之间降低峰值
、
并联阻抗的
3
个重要方法是减少
ESL
、
使两个电容值更
接近
、
增加
ESR
。
当优化
PDN
阻抗时
，
利用所有这些设计点
。
7
.
受控
ESR
电容器是帮助抑制电容并联时产生峰值阻抗的重要组成部分
。
8
.
电容器的安装电感与
3
个部件有关
：
表面迹线
、
电容器主体和通向电源和接地腔的
通孔
。
减少其中的一个都会使
ESL
尽可能降低
。
9
.
在实际情况下
，
符
MLCC
电容器的
ESL
降低到
4nH
以下是可实现的
。
做得好的时
候
，
我们可以将安装的
ESL
减少到
2nH
以下
。
在良好的设计中
，
我们可以将其降低到
0.
5nH
以下
。
10
.
当安装电感远低于
InH
时
，
电容器的传输线特性将变得明显
。
用于电容器的传输
线模型预测了电感的减小和
ESR
随着频率的增加
。
参考文献
[1]
“
Design
Tools
|
AVX
Spicap7
5
[Online].
Available:
resources/design-tools/.
[Accessed:
14-Mar-2016].
http://www.avxxom/
[2]
T.
Roy,
L.
Smith,
and
J.
Prymak,
ts
ESR
and
ESL
of
ceramic
capacitor
applied
to
decoupling
applications,
M
in
IEEE
7th
Topical
Meeting
on
Electrical
Performance
of
Electronic
Packaging
(Cat.
No.
98TH
8370),
1998,
pp.
213-216.
[3]
L.
D.
Smith
and
D.
Hockanson,
^Distributed
SPICE
circuit
model
for
ceramic
capacitors^
in
2001
Proceedings.
51st
Electronic
Components
and
Technology
Conference
(Cat.
No.
01
CH
37220
/
2001,
pp.
523-528.
[4]
L.
D.
Smith,
D.
Hockanson,
and
K.
Kothari,
'A
transmission-line
model
for
ceramic
capacitors
for
CAD
tools
based
on
measured
parameters/*
in
52nd
Electronic
Components
and
Technology
Conference
2002.
(Cat.
NaO2cH
37345),
2002,
pp.
331
—
336.
[5]
C.
R.
Sullivan
and
Y
Sun,
u
Physically-based
distributed
models
fbr
multi-layer
ceramic
capacitors,
9,
IEEE
Electr.
Perform.
Electr.
Packag.
,
no.
2,
pp.
185-188,
203.
[6]
L.
D.
Smith,
“
MLC
capacitor
parameters
for
accurate
simulation
model,
5,
in
Santa
Clara,
CA,
DesignCon,
2005.
|
Chapter
6
|
第
6
章
平面和电容器的特性
6.
1
平面的关键作用
作为一个
PDN
组件
，
在电路板或半导体封装中电源和接地平面的目的是将
VRM
和电
容器连接到有源器件上
，
并向有源器件提供一个干净的电源
，
而且它应具有可接受的低压
噪声
。
影响平面
PDN
噪声的两个主要因素是通过有源器件的瞬时电流和平面阻抗
。
我们指的电结构是相邻的电源和接地平面作为空腔所形成的
。
腔是任何相邻的一对平
面
，
而不管它们的直流电压
。
这种大而长的带有电介质的导体结构之间能捕捉任何电场和
磁场
，
并强烈地影响电场和磁场的传播
。
电磁场在腔的
“
边缘反射
”
并且波动
，
这种腔的具
体形状和几何参数和结构影响着进入腔中的方式
。
提示我们把任何一对平面叫作一个腔
，
因为它创造了波导边界条件来俘获它内部的
电磁场
。
我们将看到
，
不同于小的分立元件
，
由两个平面组成的空腔分布式结构的阻抗是复杂
的
。
最终
，
它们的三维性质影响了电流如何在腔中流动以及由此产生的动态
、
传播
、
电压
分布之间的
关系
。
然而
，
我们可以建立一些简化模型腔
，
这样可以了解它们的物理性质是
如何影响我们所需要的强大的
PDN
性能的
。
特别是在低频时
，
我们将腔体建模为单集总电容
，
对应于腔体的平行板电容
。
空腔电
感表示的是在两平面之间回路电感与扩散电感之间的关系
。
在串联或并联谐振频率中电容
和电感谐振腔相互作用的结果取决于我们如何探测腔
。
在莪高频率时
，
由于腔内电磁波的传播速度和边界条件引起的模态谐振而导致高阻
抗峰
。
通常
，
平面之间的低阻抗意味着在相同的瞬时电流下将产生更低的电压噪声
。
电源和
接地平面设计的原则很简单
：
尽一切可能降低平面阻抗
。
这通常可以解释为尽可能地保持电源和地平面上的板叠层与相邻层之间为薄介质
。
一
个影响电容器和电路板
IC
封装间的安装电感的次要因素是电源接地腔的顶部移动到接近板
面的
位置
。