PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第218页
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…
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
）
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
203
与这一致的是
，
较薄的介质减小了腔体有效的阻抗⑶仃
。
第
6
章对一维传输线讨论的阻抗和衰减也可以用到二维传输线中
。
我们总结的方程为:
7
377
。
h
1
(
q
Z
o
=
—
—
：
一
=
b
(
7
-
2)
yDk
8
y
o
^conductor
=
4.
24
X
()
—
0-
187
4T
)
[dB/inch]
(7-3)
^dielectric
=
2.
3
X
/
X
Df
X
，
Dk
[dB/inch]
(7-4)
式中
，
Zo
是与信号传播并行腔体的一个边看到的腔体特性阻抗
；
丫
0
是腔体的特性导纳
；
Ben
是导体单位长度的电阻
，
由于趋肤效应
，
它随频率而增加
；
儿是腔体的厚度
；
如是垂
直传播方向的腔体宽度
；
Dk
是填充腔体材料的介电常数
；
Adductor
是单位长度的衰减
，
导
体损耗
；
Adielectric
是单位长度的衰减
，
介质损耗
；
/是计算衰减的频率
。
我们主要的目标是通过优化腔体特性来减小腔体噪声。
由于干扰信号活跃
，
所以一定
量的回路电流不得不流过腔体
。
我们需要执行减小阻抗峰的每一样事
，
因为腔体噪声的电
压产生阻抗和噪声电流
。
减小电源平面的阻抗和增加阻尼就是这个目的
。
基于前面的方程
，
表
7-1
总结出了介质厚度
、
Dk
、
Df
和频率对阻抗
、
导纳和衰减的影
响
。
通过降低阻抗和增加阻尼
，
我们实现了最好的腔体噪声性能
。
导体和介质损耗如最后
两列所示
，
是最大化的指标
。
很明显
，
介质厚度是最重要的指标
，
因为阻抗的改善和导体
损耗反比于它
。
介电常数会提高阻抗和阻尼
，
但仅是平方根的关系
。
表
7-1
重要的腔体参数和它们如何影响电特性的总结
腔体参数
汽
=1/
乙)
导体损耗
介质损耗
介质厚度
h
1/A
Nh
—
介电常数
s/Dk
/Dk
TDk
■/Dk
损耗因子
一
一
Df
介质损耗
一
一
一
1
导体损耗
1
说
%
1
一
频率
一
厅
f
尽管介质损耗与腔体的特性阻抗无关
，
但导体损耗则不是
，
它反比于特性阻抗
。
传输
线的特性阻抗较低意味着有较高的衰减
，
这减小了腔体谐振时的峰值阻抗
。
降低介质厚度
M
会降低特性阻抗
，
使用较高的介电常数也可达到同样的目的
。
除此
之外
，
介质损耗的衰减正比于介电常数的平方根
，
因此
，
来自导体和介质两个机理的阻尼
随介电常数的增加而增加
。
只要不要求介质厚度
，
则较高的
Dk
会产生更大的衰减
，
较小
的峰值高度和更好的性能
。
可是
，
较高的
Dk
也使腔体模态共振向低频移动
。
有时这是正的
，
有时是负的
。
永远
不要牺牲厚度
力,
来使用较高的
Dk
。
图
7-3
比较了有相同厚度
4mil
边为
3in
的腔体
，
Dk
分别是
3.5
、
5
和
10
时的阻抗曲