PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第228页
212 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 图 7-9 6inX6i n 的腔 体 ， 具 有 25 个 相 同 的电 容 器 均 匀分 布在 其 表面 ， 电 容 值分别为 10nF 、 100nF 、 1/F 、 10*F 和 ESL 为 2nH 的阻 抗曲 线 。 高 于 自谐 振 频率 ， 电 容 值不 影 响 腔 体 阻 抗曲 线 图 7-10 两个 平 面 之 间通 孔 电 感 …
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
211
提示
作为一种好的习惯
，
每个信号转换通孔至少要加入一个回路通孔
，
这能帮助减
小注入腔体的噪声
。
在缺少包含规定数目通孔的间距
、
方向
、
腔体厚度和尺寸
时使用
3D
场求解器分析的情况下
，
没有好的近似分析信号-腔体耦合噪声的
方法
。
7.5
使用多个隔直电容抑制腔体谐振
当平面没有相同电压时
，
一般推荐使用电容器来短路这些平面
。
在这个应用中
，
电容
器最为重要的性能是它们的安装电感
。
我们应该选择电容器的尺寸有尽可能小的安装电
感
，
电容器的电容值几乎是无关紧要的
。
我们实际上使用这些电容器作为短路通孔的替代
，
这时电容器的作用是隔直
，
而不是
去耦
，
这种应用应该称为隔直电容器
。
当信号转换通过腔体时
，
它们的功能是减小腔体阻
抗
，
从而减小腔体电压噪声和通孔与通孔之间的串扰
。
提示
隔直电容器可以替代短路通孔
，
但性能较差
。
它们的电容值无关紧要
，
总的安
装电感决定了它们的性能
。
一般而言
，
电容值大于
lOOnF
就足够了
，
最重要的是自谐振频率要远低于最低的腔体
谐振频率
。
典型的安装电感大约为
2nH,
lOOnF
电容器的自谐振频率是
：
SRF
=
—
—
-
—
—
=
；
…
"芈空
=
159MHz
=
11MHz
(7-20)
27r
VLC
L
mounting
[nH]C[nF]
，
2nH
X
lOOnF
高于这个频率时
，
每个电容器的阻抗表现为感性
，
类似于短路通孔
。
只要大容量电容
器在腔体谐振区域表现为感性
，
那么它的作用像短路通孔
，
就可以同样的方法抑制腔体
谐振
。
这个例子中
，
当高于
11MHz
时
，
腔体中的电容器像电感
。
电容值大于
lOOnF
的电容
器在腔体谐振发生的区域看起来仍旧像电感
。
在低频时
，
VRM
和隔直电容器在电源和地平面的腔体之间提供了低阻抗
。
图
7-9
所
示为腔体阻抗曲线
，
有
25
个相同的电容器分布在这个腔体的表面
，
每个电容器的安装
电感为
2nH
。
4
个阻抗曲线显示的电容值为
10nF
、
lOOnF,
"F
和
lOptF
。
所有电容器抑
制腔体谐振的能力都已被证实
。
现在
，
每个电容器的
ESR
是
25mC,
25
个电容器并联
，
在自谐振频率处
，
有效的
ESR
是
1/25
X
25m
。
或
1m
。
。
本章后面会考虑电容器
ESR
的
影响
。
虽然隔直电容器的电容值不影响腔体谐振
，
但它们的电感则有影响
。
电容器对腔体的
安装电感是决定腔体谐振抑制的最重要指标
。
那里的电容器隔开了直流
，
它的作用不是去
耦电容器
。
图
7-10
所示为电容器安装在腔体上的典型方式和安装电感的来源
。
212
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
7-9
6inX6in
的腔体
，
具有
25
个相同的电容器均匀分布在其表面
，
电容值分别为
10nF
、
100nF
、
1/F
、
10*F
和
ESL
为
2nH
的阻抗曲线
。
高于自谐振频率
，
电容值不影响
腔体阻抗曲线
图
7-10
两个平面之间通孔电感和电路板元件层其他电容器通孔的环路安装电感的贡献
与单个短路通孔相比
，
较高的安装电感戏剧性地减小了电容器短路腔体和抑制平面谐
振的效果
。
提示虽然隔直电容器提供了腔体两端的低阻抗
，
但它的安装电感总比单个通孔高
得多
，
这意味着隔直电容器在抑制腔体谐振方面永远不如短路通孔那样有效
。
如图
7-11
所示
，
6in
正方形腔体与前面所示相同
，
具有
25
个均匀分布的电容器
，
但
是有不同的安装电感
。
我们假设
：
电容量足够大
，
所以电容器的自谐振频率应该是低
的
。
对于
lOmil
的腔体
，
安装电感必须小于
50pH,
它才能与通孔的电感相比
，
从而抑制
腔体模式的有效性才能与短路通孔相比
。
腔体谐振被抑制的频率依赖于电容器的安装
电感
。
第
7
章信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
213
图
7-11
每个边为
6in
的腔体
，
厚度为
lOmil,
具有不同的电容器结构
，
从腔体角看过去
的阻抗
。
随着电容器安装电感的减小
，
腔体模态共振的主要趋势是频率向高频方
向移动
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
7.6
为抑制腔体谐振
，
估计隔直电容器的数量
为了让电容器像直接短路通孔那样有效
，
所需的电容器数量正比于电容器安装电感与
短路通孔电感之比
。
在正方形腔体中
，
电容器的间隔随着电容器数目〃的平方根而下降
。
如果使用隔直电容器来抑制腔体谐振
，
则需要比短路通孔更为靠近的间隔
。
我们可估算所需电容器的数量
。
隔直电容器总的电感可为安装电感加上通孔电感
。
对
腔体的总回路电感为
：
L
blocking
_
cap
=
Amount
+
^via
(7-21)