PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第217页
第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 ， 信号 完整性 的 探 讨 201 55.2MH z, 25.245 6.000 0.00 10.000 20.000 30.000 40.000 __ 时 间 （ ns ） 图 7-1 顶部 ： 具 有 VR M 的电 源平 面空腔的阻 抗曲 线 。 底 部 ： 当 “ 挑 衅 性 ” 信号 通过空腔 时 ， 两个 相距 很 远的通 孔拾 取 的瞬 时 噪 声 电 压 ， 电 压刻 度 为…
200
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
当信号通过空腔进行转移时
，
它们的返回电流能激励腔体谐振和其他的并联谐振
。
当
信号返回电流通过空腔时
，
有大的频率分量与峰值阻抗频率相重叠
，
这时在两个空腔平面
之间就产生了过度的电压噪声
。
这个电压噪声对两个潜在问题有贡献
：
增加串扰
（
这是信
号完整性问题
）
和
EMC
违规
。
在很多通俗的文献资料中
，
电源完整性
、
信号完整性和
EMC
问题没有很好地分开,
常常是模糊在一起的
。
腔体谐振首先是信号完整性问题
，
有时是
EMC
问题
，
但很少是电
源完整性问题
。
减小它们对信号完整性和
EMC
的影响是重要的
，
但是它们对电源完整性
常常是不相关的
。
返回电流通过空腔形成的电压噪声是非常严重的信号完整性问题.幻
。
通过空腔的信
号把平面之间的电压噪声看成串扰
，
通过空腔的开关信号越多
，
被其他信号拾取的电压噪
声越多
。
空腔噪声不位于通孔信号的邻近
，
而是处在大的范围内
。
它影响所有跨越空腔的
通孔
，
而不是仅影响通孔邻近的有源信号
，
这使问题很难诊断
。
提示
信号返回电流所具有的风险是具有空腔峰值阻抗的实际问题
，
此电流在峰值阻
抗处通过的空腔具有频率分量
。
电流通过高阻抗
，
在空腔中产生大的电压
，
这
会产生串扰和
EMC
问题
。
例如
，
对于一个
6in
的空腔
，
由连接到
VRM
的电源和地平面构成一个边
，
它在
VRM
的电感凹坑和空腔凹坑之间形成并联谐振阻抗峰
，
这是腔体模态共振
。
在低频腔体阻抗像电感器
，
这是因为
VRM
的串联电感短路这个平面
。
这个电感与空
腔电容组合
，
并在
55MHz
附近形成并联谐振峰值阻抗
。
另外
，
腔体模态共振开始在
0.
5GHz
左右
。
信号的瞬时电流具有
2OOps
的上升时间通过干扰器通孔的空腔
，
它引起相等和相反的
返回电流通过和扰动空腔
。
返回电流可能通过附近的通孔或由位移电流引起
。
电压扰动
中
，
有的频率分量可高到
0.35/0.2ns=l.
7GHz
的频带宽度
，
它在
55MHz
、
0.
5GHz
和
1GHz
处激励空腔峰值阻抗
。
我们可以预期
：
在这些特定频率上
，
产生了增强电压噪声
。
图
7-1
所示为空腔的阻抗
曲线和两个信号通过空腔所拾取的电压噪声
。
“
受害
”
通孔位于与空腔相对的角上
，
还可指
出
，
在
55MHz
和
0.
5GHz
附近的频率分量上噪声幅度是相似的
。
在
6inX6in
空腔中
，
噪声幅度对串扰信号的通孔位置的依赖性不大
。
空腔中的电压噪
声有非常大的范围
，
这意味着空腔中所有信号通孔都会受到它的影响
。
每个受害通孔产生
的噪声有大约
5mV
的峰值幅度
，
它大约是
300mV
信号摆动的
1.5%,
这是因为它们也通
过空腔
。
一个简单的具有
200Ps
上升时间的信号输入到
50
。
的传输线中
，
空腔通孔产生
6mA
的返回电流并通过空腔
。
如果
10
个
“
挑衅性
”
信号同时传输通过空腔
，
则受影响接收
到信号摆动的
15%
作为噪声
。
这是大范围的影响
，
因为
10
个
“
挑衅性
”
信号通过
6in
方空腔
的任意地方
。
“
挑衅性
”
信号通过空腔感应的噪声中有两个重要的频率分量
，
它们显示在时域图上
。
低频分量的周期为
20ns,
频率大约为
50MHz
。
高频噪声的周期大约为
4ps,
频率比
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
201
55.2MHz,
25.245
6.000
0.00
10.000
20.000
30.000
40.000
__
时间
（
ns
）
图
7-1
顶部
：
具有
VRM
的电源平面空腔的阻抗曲线
。
底部
：
当
“
挑衅性
”
信号通过空腔时
，
两个相距很远的通孔拾取的瞬时噪声电压
，
电压刻度为
mV
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
0.5GHz
稍微高些
。
这两个频率与阻抗曲线的第一
、
二个峰相匹配
。
空腔中抬高的电压噪声对
EMI
和信号完整性有重要的影响
。
任何复杂的电磁产品都具
有合理相互连接密度的要求
，
因此躲避多层信号板是不可能的
，
这意味着信号通孔是现实
存在的
。
无论信号是否通过腔体
，
它的返回电流具有在邻近的回路平面之间激励电压噪声
的潜能
，
这绝对是不可避免的
。
提示电源和地平面腔体中最为普通的高频噪声源是宽频带返回电流
，
它通过腔体作
为信号通孔转移注入的直接结果
。
这种噪声存在的范围宽
，
在通孔之间贡献串
扰和
EMI
O
可是
，
信号的回路电流不能在腔体中产生过分的电压噪声
。
避免这个问题的一种方法
是改变峰值阻抗的幅度
，
让它足够低
，
结果是电流摆动不产生大的噪声电压
。
另外一种方
法是把峰值阻抗推向高频端
，
使其超过信号频带宽度
。
这样
，
高阻抗峰不会被瞬时电流所
激励
。
优化腔体特性可得到这两个问题的解
。
正如本章讨论的
，
腔体谐振对于电源分配网络传输给有源器件核心电路干净的电压是
没有问题的
。
可是
，
腔体噪声对于很多板的信号完整性和
EMI
来说
，
是巨大的问题
。
因为
202
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
它涉及同一腔体结构要用于传递电源
，
下节将介绍减小腔体噪声的设计技术
，
这就回到了
信号完整性和
EMI
问题
。
7.
3
通过较低阻抗和较高阻尼来降低腔体噪声
在第
6
章已经指出
：
在一维传输线中
，
较高频率的信号比较低频率的信号有较大的阻
尼
，
这是由于频率
依赖性损耗所致的
。
这意味着较高阶模式的信号比较低阶模式的信号有
更多的阻尼
，
正如频率增加那样
。
在二维腔体中
，
情况也是如此
，
较高频率的模式有高于
较低频率
模式的阻尼
。
提示
一般而言
，
导体和介质损耗随频率而增加
，
较高阶模式的信号比较低阶模式的
信号有更多的阻尼
。
在一个腔体中由于有更多的导体损耗
，
所以较薄的介质增
加了峰值阻抗的阻尼
。
腔体中较薄的介质会减小腔体中的分布电感
、
腔体阻抗
、
阻抗峰
，
并进一步增加了较
高频率的阻尼
。
这些是在腔体中使用薄介质的重要优点
。
图
7-2
所示为从两个不同腔体中
心看人的阻抗曲线
。
它们的一边为
6in,
用
FR4
填充
，
仅有的差别是一个腔体的厚度是
30mil,
另一个腔体的厚度是
3mil
。
图
7-2
两个不同厚度的腔体的阻抗峰
。
腔体越薄
，
阻尼越高
，
腔体谐振时的阻抗峰越低
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
提示遏制平面之间模态共振最为有效的方法是在两个平面之间使用非常薄的介质
。
这就减小了腔体阻抗
，
相同的电流产生校低的电压降
，
原因是导体损耗抬高了
较高频率的损耗
。
从直觉上来看
，
电源平面腔体是二维传输线阵列
，
你可在
7.15
节中找到更详细的内
容
。
电源平面腔的阻抗与二维传输线段的特性阻抗密切相关
。
较薄的介质减小了电感
，
增
加了传输线段单位长度的特性阻抗
，
这样
，
特性阻抗减小
：
2
。
=瓜
（
7-1
）