PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第219页
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 ^condu ctor = 4. 2…
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
204
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
线
。
正如预期的那样
，
谐振峰的频率随
Dk
的增加而减小
，
因为腔体中的波速降低了
。
频率
（
Hz
）
图
7-3
基于
3
个不同的介电常数
，
有相同尺寸
3inX3in
方腔的阻抗曲线
。
Dk
越高
，
谐振
频率越低
，
腔体阻抗的越小
，
阻尼越大
除了较薄的介质
、
较高的介电常数外
，
还有遏制腔体谐振的其他方法存在
。
7.4
使用短路通孔遏制腔体谐振
一般而言
，
腔体等电压平面间的短路通孔和腔体阻抗之间的相互作用是很复杂的
。
短
路通孔的低电感与腔体电容相互作用产生并联谐振
。
除此之外
，
短路通孔的位置会影响腔
体的边界条件
，
并影响被困在腔体中的波如何反射
、
反弹和干扰
。
为了避免阻抗的不连续性和回路电流被耦合人腔体
，
通过腔体的理想信号返回路径似
乎应该是匹配同轴电缆阻抗的短线
。
这样就避免了阻抗的不连续和在腔体中没有偏离的磁
场
，
它会驱动腔体电流并感应腔体噪声
。
附加足够的回路通孔
，
使信号电路看上去像同轴线
，
这样做是不现实的
，
因为需要较
大的印制板
。
可是
，
对于非常高速的信号
，
不管是单端还是差动
，
插入损耗和回波损耗这
两个指标都需要满足
。
这时
，
为了匹配阻抗
，
需要对通孔进行一些处理
。
一般涉及的是调
整清理通过腔体的通孔和邻近的一些回路孔
。
对于差动信号的通孔
，
回路通孔对共模电流
发挥重要的作用
，
就如单端信号中的通孔那样
。
共模电流是需要返回通孔的
。
一般而言
，
我们需要
3D
场求解器来对高频时的腔体阻抗进行高精度分析
。
可是
，
我
们仅能给出一些简单的讨论
，
对腔体短路通孔行为给出一些经验规则
。
不必求助于
3D
场
求解器
，
我们预计在腔体表面均匀分布的短路通孔可有效地遏制腔体模态共振
，
这给出了
通孔间最低的分布电感
，
它对腔体模态共振有最大的效果
。
在下面的例子中
，
我们分析均
匀分布的短路通孔的例子
。
一个正方形腔体填充
FR4,
每边长
6in,
第一个谐振峰在
500MHz
处
，
它对应填充介
质腔体长度的半波长
。
我们从腔体边缘的接触点观察阻抗曲线
Z"
。
在腔体中心加入一个
短路通孔
，
这对腔体模态共振的影响很小
。
它的存在仅使低频腔体阻抗从容性变为感性
。
腔体上附加均匀分布的多个短路通孔
，
将使第一共振峰和所有更高阶共振转移到更高
频率
。
图
7-4
所示为从腔体边缘附近测量的对腔体阻抗的影响,腔体表面均匀分布加入的