PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第231页
第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 ， 信号 完整性 的 探 讨 215 们 考虑 隔直 电 容 器 4 个具体 的 安 装电 感 值 ： 极 限 最好 0. 2nH 实 际 最好 0. 5nH 工 程 上 好 l.OnH 典 型 值 2.0nH 利 用电 容 器 安 装的 回 路电 感 ， 为了仅 用短路通 孔 达 到同 样 的腔 体 模抑 制 ， 我 们估 算需 要的电 容 器 间隔 。 在 下 面的 例 子 中 我 们假 …
214
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
式中
，
Lb]mking_cap
是腔体平面中电容器总的回路电感
；
Lmwn
是与电容器安装形状有关的额
外的回路电感
；
L
总是单个通孔的总电感
，
相当于短路腔体的通孔
。
对于一阶近似
，
我们假设通孔短路腔体的总电感可粗略地认为与腔体厚度
h
为线性
关系
：
Lia
=
九
X
L
Len
.
via
（
7-22
）
式中
，
Lwa
是通孔短路腔体的总电感
；
人是腔体厚度
；
LLen
—
ia
是通孔短路腔体的单位长度的
总电感
。
这样
，
我们就得到了需要的电容器数量
，
它们并联后有和通孔直接短路平面相同的
电感
：
和
1
“
caps
^blocking
_
cap
(7-23)
，
，
caps
_
Ljjlocking
cap
L
mount
+
无义
L
[,en-via
Lmount
L
via
h
义
Len-via
h
X
Len-via
(7-24)
+
1
式中
，
Laps
是需要并联的电容器数量
，
为等效地抑制腔体形状
，
它们有与一个短路通孔相
同的回路电感
。
电容器之间的等效间隔反比于每个短路通孔需要的电容器数量的平方根
。
这个结果需
要估算抑制腔体谐振的电容器间隔
，
为
：
沁
=
R
7
+
1
（
7-25
）
°caps
X
注入
乙
Len-via
若使用
1/6
波长通孔的最大间隔
，
则最大大容量电容器的间隔为
：
s
caps
=
_
y
Svias
:
=
x
|
A
（
7-
26
）
/
L
mount
_____
I
]
/
Lmount
+
]
X
L
Len
.
via
7
h
义
L
Len
.
via
这个分析证明
：
使用电容器来抑制腔体谐振需要使间隔更加靠近来得到通孔那样的等
效抑制频率
。
安装电感越大
，
对于相同的频率抑制
，
电容器之间的间隔越小
。
腔体平面间的距离越厚
，
电容器明显地变得越有效
，
接近短路通孔的效果
。
这是因为
较厚的腔体意味着通孔有较大的总电感
。
如果安装电感保持相同
，
那么匹配一个通孔电感
的附加并联电容器就较少
。
电容器永远不可能像短路通孔那样好
，
但是使用较厚的腔体,
电容器的效果接近短路通孔
。
当然
，
由于较厚的腔体意味着阻尼效果的降低
，
腔体中的分
布电感更大
，
所以为达目的
，
设计较厚腔体永远不是好的设计
。
提示正如
PDN
中应用的大多数电容器一样
，
影响抑制腔体谐振效果的最重要因素不
是容量
，
而是它们的安装回路电感
。
你应该做的就是降低大容量电容器的安装
电感
。
用几个例子来说明为了抑制腔体谐振
，
隔直电容器的低安装电感的重要性
。
当电容器
封装为
0402
（
尺寸
1.0111111
）
＜0.5111111
）
或更小时
，
安装电感一般超过电容器的本征电感
。
我
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
215
们考虑隔直电容器
4
个具体的安装电感值
：
极限最好
0.
2nH
实际最好
0.
5nH
工程上好
l.OnH
典型值
2.0nH
利用电容器安装的回路电感
，
为了仅用短路通孔达到同样的腔体模抑制
，
我们估算需
要的电容器间隔
。
在下面的例子中我们假设
：
腔体厚度为
lOmil,
计算需要的电容器间隔
，
来匹配与短
路通孔有相同的腔体谐振抑制
。
我们预期
：
较小电容器的安装电感
，
电容器的间距接近短
路通孔需要的
1/6A
的间距
。
极限最好情况是电容器的安装电感小到
0.
2nH,
移动计算领域使用封装为
0201
（
尺寸
0.6mmX0.3mm
）
电容器可达到这个指标
，
它安装在使用堆积层制造的印制板表面的电源
平面上
。
通孔短路腔体厚
lOmil,
其总电感可小到
0.
InH
。
在这种情况下
，
隔直电容器之
间需要的间距大约为
：
S
caps
Q
^vias
L
mount
0.
2
6
V3
6
10
(7-27)
h
义
LperLen
0.
+
1
1
1
+
1
将这个分析应用于其他安装电感上
，
抑制腔体模式的电容器之间的间距为:
品质情况
电容器安装电感
Scap
极限最好
0.
2nH
A/10
实际最好
0.
5nH
A/15
工程上好
LOnH
A/20
典型
2.
OnH
A/42
在安装电感为
2nH
的典型情况下
，
电容器-电容器之间的间隔为波长的
1/42
。
这是使
用短路过孔的
7
倍
，
需要隔直电容器的数量是短路通孔的
50
倍
，
这是很多电容器
。
如果需要抑制的腔体谐振低于
1GHz,
那么在
FR4
中波长是
6in,
电容器之间的间隔为
l/42X6in=150mil
o
每英寸需要
7
个电容器
，
印制板空间中每平方英寸上需
50
个电容器
。
对于每个边长为
10in
的情况
，
需要
50X100
或
5000
个电容器
，
这是不实际的
。
为使电容器数量保持在合理范围
，
需要电容器有非常低的安装电感
，
这就是隔直电容
器在抑制平面谐振效果时评价不高的原因
。
仅使用地平面作为回路平面
，
并且在平面之间
使用短路通孔要有效得多
。
提示
抑制平面谐振最有效的方法是每个平面使用相同的电压
，
并且在平面之间附加
短路通孔
。
隔直电容器的效果不能接近短路通孔的效果
。
无论如何
，
要使用相
同电压的回路平面
。
216
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
我们用
3D
场求解器比较隔直电容器和短路通孔
。
在这个例子中
，
两个腔体表面的隔
直电容器或短路通孔都间隔
lin,
其中一个介质的厚度为
4mil,
另一个为
20mil,
大容量电
容器的安装电感为
2nH
。
我们预期短路通孔的最低谐振频率为
1GHz,
它是具有相同密度的电容器的最低谐振
频率的
7
倍即电容器的为
140MHz
。
使用短路通孔时
，
我们预计腔体厚度为
4mil
或
20mil
的最低谐振频率没有差别
。
可是
，
我们预期
2nH
的电容器有最低的谐振频率
，
在
3D
场求解器上观察到的结果如
图
7-12
所示,它们靠得很近
。
图
7-12
左边
：
使用相隔为
lin
的短路通孔
，
厚度分别为
4mil
和
20mil
的两个腔体的阻抗曲
线
。
右边
：
包含厚度为
4mil
的短路通孔和腔体的最低阻抗图
，
这是为了参考
。
接下
来较高的阻抗轨迹是对厚度为
4mil
和
20mil
的腔体使用隔直电容器来代替短路通
孔的
在
4mil
的腔体上
，
我们预计电容器的最低谐振频率为
140MHz
。
3D
仿真给出的第一
个谐振是
228MHz,
这与我们的估计相差
0.228GHz/L08GHz
=1/5,
接近简单分析的
1/7
。
随着腔体厚度的增加
，
使用隔直电容器时最低谐振频率也增加
，
可以准确地预计到
，
短路
通孔的最低谐振频率不随腔体厚度的增加而改变
。
为了比较
，
我们在图中仅包含带有通孔
的腔体阻抗
。
这个比较使我们确信
：
使用电容器来抑制平面谐振不是那么有效的
，
除非电容器的安
装电感非常低
。
即使好的安装电感为
InH,
则所需电容器的间隔大约为波长的
1/20
。
提示
隔直电容器抑制平面谐振的效果不好
，
除非安装电感非常低
。
在工程上处理非
常好的场合
，
为有效抑制平面谐振
，
需要电容器的间隔为
1/20
波长
。
在这个分析中
，
我们企图把腔体谐振的峰值阻抗频率推向信号频带的上面
。
如果来自
开关回路的瞬时电流存在于腔体中
，
则这个方法没有峰值阻抗产生的过度的电压噪声
。
这
是减小腔体电磁辐射尤为重要的问题
。