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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 1…
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
。
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
217
提示
基于简单分析的估算是对
3D
仿真结果好的近似
。
这二者都指出
：
为了把第一个
腔体模态共振推向更高频率
，
需要更多的隔直电容器
。
在缺乏
3D
全波仿真或甚
至为简单估算情况下
，
使用更多的电容器降低了风险
。
从本节的分析我们看到
：
当电容器的安装电感为
InH,
间隔小于
1/20
波长时
，
可以
把第一个仿真阻抗频率推出高于信号频带
。
第一个谐振是
：
/
res
=
T
=
r
°
--------------
=
厂
IL8
—
—
=
%
3
qGHz
（
7-28
）
A
>/Dk
X20X
S
cap
#
X20X
S
cap
S
ca
P
LmJ
如果我们需要第一个谐振频率高于信号频带
，
那么
：
BW
<
fes
和
R.
[弋
s]
V
Sc
：
[
：
n]
或
Scap[in]
<
RT[ns]
（
7-29
）
需要第一个谐振频率高于信号频带的电容器密度为
：
density
皿
[而
[
=
襦扁
=
乔
、
（
7-30
）
如果上升时间为
1ns,
每平方英寸需要一个大容量电容器把第一个谐振频率推向高于
信号频带处
，
以抑制腔体谐振
。
如果信号的上升时间为
0.3ns,
则我们需要
10
个大容量电
容器
。
7.7
为承受回路电流
，
需要确定隔直电容器的数量
上节考虑的隔直电容器的数目是抑制腔体谐振使其高于信号频带
。
第二个考虑因素是
当多个信号通过腔体时
，
腔体中产生的噪声
。
（
有相同电压平面
）
短路通孔和
（
有不同电压
平面
）
隔直电容器必须承载回路电流
。
从平面弹跳和噪声的角度考虑
，
我们可计算承载多
个信号回路所需要的电容器数量
。
当很多信号转移回路电流通过腔体时
，
我们估算保持腔体开关噪声低于某个电平所需
要的最少电容器的数量
。
当很多信号转移回路电流通过腔体等效电感
，
电流的导数
d
〃
dz
产生电压噪声
。
可根据式
（
7-31
）
估算:
V
-
=
L
—
r
noise
-
eqinv
&
和
和
结果为
di
_
y
Kig
义
］
d7
—
x
z
T
x
rt
—
ESL
“
caps
V
=
r
di
=
V
noise
―
^equiv
出
一
1
V
.
1
广
ESL
X
n
sig
X
黄义夫
“
caps
乙
0
、
1
(7-31)
(7-32)
(7-33)
(7-34)
和