PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第168页
152 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 提 示设计 平 面 最 重要的 准则 是尽 一切可 能降 低去 耦电 容 和 有源 器件之 间的阻 抗 。 通 过 在 相邻 层 上使 用 宽平 面 来实 现这 一 点 ， 实 际 上 在它 们之 间 具 有尽 可 能薄的电 介 质 ， 放 置 在 靠近 印刷 电路 板 表面的 叠 层 中 。 如果它是 免 费的 ， 那 么 应始 终遵 循 一个 …
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Chapter
6
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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
。
152
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
提示设计平面最重要的准则是尽一切可能降低去耦电容和有源器件之间的阻抗
。
通
过在相邻层上使用宽平面来实现这一点
，
实际上在它们之间具有尽可能薄的电
介质
，
放置在靠近印刷电路板表面的叠层中
。
如果它是免费的
，
那么应始终遵循一个设计准则或习惯
。
如果要花费更多的成本
，
则
我们就必须评估它是否值得
：
“
砰一声
”
需要花费多少钱
？
我们只能通过输入数字来确定这
一点
—
—
计算从平面开始的
PDN
阻抗和噪声性能的影响
。
这就要求建模平面以及将电学
性能整合到系统电路仿真中
。
由两个平面构成的腔阻抗取决于腔体的几何形状和测量阻抗的位置
。
图
6-1
显示了从
空腔中每一个平面上两相邻的接触点看去
，
模拟阻抗都可以看作一对平面腔
。
在这个例子
中
，
平面尺寸大约是每边
4inX6in,
其间隔为
64mil,
填充
FR4
介质
。
这个阻抗谱显示
3
个不同的区域
；
低频区
，
其平面近似一个电容器
；
中频区域
，
其平
面近似一个电感
；
高频区域
，
在那里我们看到谐振腔模态谐振的尖锐阻抗转换
，
这看起来
像传输线的阻抗曲线
。
我们分别探讨这
3
种不同的频率区域
。
1E3
1E2
1E1
a
1
g
IE-1
IE-2
IE-3
1E6
1E7
1E8
1E9
1E10
频率
（
Hz
）
图
6-1
从
3
个阻抗区域中心观察空腔的阻抗曲线
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真的结果
提示
在频域中探索腔阻抗是很方便的
，
因为我们可以把它分成
3
个部分
：
低频段,
在那里看起来像是电容器
；
中频范围
，
它看起来像一个电感器
；
在高频
，
它看
起来像一条传输线
。
6.2
平面的低频特性
：
平行板电容
在低频时
，
电源和接地腔体的阻抗都与电容有关
。
我们用平行板近似来估计这种腔体
电容
，
它假定在平面边缘的边界之外不产生边缘场
：
C
=
e0
Dk
4
（
6-1
）
h
第
6
章平面和电容器的特性
153
式中
，
C
代表平面之间的电容
；
A
代表重叠面积
；
九代表平面间的介电厚度
；
宓代表自由
空间
的介电常数
，
e
0
=8.
85X10-
12
F/m=0.
227pF/in
；
Dk
代表腔体间材料的介电常数
。
在特殊情况下
，
将
FR4
作为介质
，
Dk
=
4.2
。
这个可以换算成单位面积上的电容值
（
单位为
pF/id
）
与介质厚度
之间的
简单表达式
：
^EpF/in
2
]
=
gDk
[
=
0.
227pF/in
X
4.
2
X
〜
7T
U1
（
6-2
）
A
h
九
Lin
」
h\_\n_\
九
L_in_|
如果我
们测量平面之
间的介质间距
（
单位为
mil
）
和单位面积上的电容
（
单位
pF/in
2
）
,
贝
IJ
：
（
pF/ir?]
〜
悬而
（
6-3
）
如果介质厚度为
3mil,
平面之间单位面积上的电容
C
=
0.3pF/in2
。
一对边长为
10in
的平面电容约为
0.
3
nF/in
2
X
lOOin
2
=30nF
。
提示
作为一个粗略的规则
，
一个腔的电容的间距为
lmil
并填充
FR4
所分离
，
单位面
积上的电容约
lnF/id
并随着介质层厚度的增加而减小
。
这种平行板假设平面边缘的边缘场是可以忽略不计的
，
但平面的边缘总是有边缘场
的
。
在高纵横比时
，
平行板电容占主导地位
，
我们可以忽略边缘场
。
然而
，
对于较小的纵
横比
，
边缘场电容也起着作用
。
我们需要判断这种影响
。
6.3
平面的低频特性
：
边缘场电容
我们通过比较平行板电容与用场求解器计算的电容来研究构成腔体边缘的边缘场的贡
献
，
包括平行板和边缘场电容
。
我们期望场求解器比平行板近似计算的电容更大
。
这个不
同是边缘场所做的贡献
。
我们甚至可以使用二维场求解器来估计围绕一对平面边缘的边缘场的单位长度
。
大多
数二维场求解器迫使返回平面为无限宽
。
场求解器计算信号线与平面之间距离为
，
（
&
）
的
电容
。
这个电容是平面顶部的信号线与平面以下等距离的镜像信号线之间的电容的两倍,
即有一个完全分离的
K
h
=
2Xh',
如图
6-2
所示
。
信号线
—
丁
无限长接地平面
力
’
镜像线
图
6-2
在有限宽返回平面上传输线中信号线的长度和返回平面另一侧镜像信号线的横截面
二
维场求解器计算线路的特性阻抗
。
利用时间延迟
，
我们计算线的总电容为:
「
TD
Len
C=
〃
Dk
C
乙
o
(6-4)
式中
，
C
是信号线到平面的电容
，
是信号线与镜像线之间电容的
2
倍
；
TD
是信号线作为