PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第235页

第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 ， 信号 完整性 的 探 讨 219 ( 甘 耕 秋 B- 的 ) 胡 庭 的 与 麽 屈 摒 M 1000- 100 RT =0.3ns RT =0.5ns RT =lns RT=0.3ns RT=0.5ns RT =lns 10 100 信号 密度 （ 每平方 英 寸 ） 1000 图 7-13 基 于 所 需的 两 种 不同准则 ， 即 腔 体 谐 振 高 于信号 频 带 （ 水平 线 …

100%1 / 453
218
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
>
(7-35)
"sig
"caps
/()
K
1
或者
—
sig
_
"noise
Z°
RT
(
7
-
R
6
)
^
；
=
y-'ESL
-
式中
，
&ig
是通过腔体的信号数目
；
*
PS
是电源和地平面之间的电容器数目
；
匕海是腔体中
的电压噪声
；
Vsig
是信号电压
；
Z
。
是信号的特性阻抗
；
RT
是信号的上升时间
；
ESL
是某个
电容器等效串联的安装电感
。
假设
50
。
单端信号允许有
10%
的最大平面弹跳噪声
，
工程上安装良好的
，
承载回路
电流的隔直电容器的安装电感为
InH,
则信号通孔数与隔直电容器数最大的比可粗略
地为
：
刀
sig
=
V
noise
Z
。
RT
_
%ps
Kig
ESL
10%
汕彳喀应
=5
X
RT[ns]
InH
(7-37)
如果上升时间为
0.
5ns,
则能够平分给每个电容器的信号数大约为
5X0.
5
=
2.
5
个信
号通孔
，
每
2.
5
个信号需要单独设置隔直电容器
。
只有降低每个电容器的
ESL
才能减少电
容器的数目
。
提示
确定隔直电容器数目的第二个准则是基于腔体阻抗的等效并联电感
。
它必须保
持足够低
，
这样
，
开关信号边缘产生的
d
〃由
平面弹跳才是可接受的
。
为保持平面弹跳噪声低于
10%,
2nH
的典型安装电感所需的隔直电容器的数目加倍
。
每个隔直电容器的信号数密度比是
：
抵
=
B
=
5
义
RT
：
ns
］
或
…
八
g
⑺
38)
式中
，
密度
sig
=
印制板上信号通孔的密度
；
densitycaps
=
可接受平面弹跳的印制板上隔直电
容器的密度
。
防止腔体谐振
，
d
〃
dz
是重要的
，
电容器的密度应该高于这两个需要:
和
密度
caps-returnCurrent
密度丽
5
X
RT[ns]
(7-39)
密度
caps-returnCurrent
1
RT
2
Ens]
(7-40)
在图
7-13
中
，
我们给出了把第一腔体谐振频率推向信号频带外和保持平面弹跳噪声低于
10%
要求下的隔直电容器的密度图
。
我们探索了
Ins
、
0.
5ns
和
0.
3ns
3
个不同的上升时间
。
当上升时间为
0.
3ns
和电容器安装电感是
InH
时
，
从腔体谐振的观点来看
，
大容量电
容器的密度是
10
个
/i/
。
如果信号通孔密度是大于
20
个
/i/,
则大容量电容器的密度应该
正比于信号-通孔密度
。
一个印制板的尺寸若为
5inX5in,
需要
25
X
15
=
375
个电容器
，
且每一个工程上的安
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
219
(
甘 耕 秋
B-
的
)
胡
庭
的
与
麽
屈 摒
M
1000-
100
RT=0.3ns
RT=0.5ns
RT=lns
RT=0.3ns
RT=0.5ns
RT=lns
10
100
信号密度
（
每平方英寸
）
1000
图
7-13
基于所需的两种不同准则
，
即腔体谐振高于信号频带
（
水平线
）
和保证足够低的电感以
维持开关噪声低于
10%
（
标准线
）
，
对最小大容量电容器的密度进行了比较
。
总是使
用两个之中的较大者
装电感要小于
InH
。
这是非常昂贵的解决方法
。
当使用差分信号时
，
通过腔体的纯
d
〃
d£,
在理想情况下为
0,
不管腔体阻抗如何
，
腔
体中不产生噪声
。
人们可能会认为
，
这就消除了隔直电容器的需求
。
可是共模信号总是伴随着差分信号一起存在
，
在一个好的工程系统中
，
共模信号典型
低于差模信号分量的
10%
。
这大大地降低了流过腔体的回路电流
。
另一方面
，
差分信号总
是比单端信号有更宽的带宽和更短的上升时间
。
在
PCI-expressgenin
中
，
数据率是
8Gbit/s
和单位间隔是
125ps
。
上升时间小于典型的
50ps
o
考虑鲁棒性
，
应该抑制腔体模式低于信号带宽
。
如果不同的电压平面形成腔体
，
会把
腔体谐振推向更高
，
这时只有使用隔直电容器
，
需要的隔直电容器的密度至少为
：
密度
caps-returnCurrent
1
=
1
RT
2
[ns]
—
0.
05
2
=
400/in
2
(7-41)
这个隔直电容器的密度是不切实际的
。
使用有相同电压的邻近平面要好得多
，
所以回
路通孔抑制腔体谐振
。
对于差分信号来说
，
产生的腔体噪声依赖于制造的不对称性
，
它可产生模式转换
，
在
仿真中要预测这个是困难的
，
除非不对称性是有目的地附加到相互连接的几何形状中
。
作
为潜在问题
，
仿真不会显示共模信号且不能识别腔体噪声
，
这具有非常大的误导性
。
提示差分信号的带宽如此之高
，
以至需要的隔直电容器的数量很不合理
，
这就是处
理腔体谐振最有效的方法是使用相同电压平面作为回路路径
，
并附加短路通孔
的原因
。
220
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
7.
8
使用未达最佳数量的隔直电容器的腔体阻抗
不讨论使用的隔直电容器的数量
，
对于腔体中的阻抗曲线
，
一般是在信号带宽的频率
重叠范围内存在峰值阻抗
。
当腔体不能使用短路通孔和所需要的隔直电容器的数目无法实
现时
，
这些峰值是主要的噪声源
，
有助于信号串扰和
EMC
问题
。
当腔体中加入单个电容器时
，
阻抗曲线与空印制板是不同的
。
图
7-14
所示为腔体中加
人具有
2nH
ESL
和
28m
。
ESR
的
lOOnF
的电容器后
，
在阻抗曲线上产生的新特性
。
在低频时
，
附加电容器的电容占据腔体阻抗的统治地位
，
在电容器的自谐振频率以
上
，
腔体阻抗由电容器的安装电感加上分布电感和腔体的电容来确定
。
如果电容器的容量改变
，
但它的安装电感不变
，
则电容器在自谐振频率以上的阻抗是
与所有电容值相同的
。
图
7-15
所示为
3
个不同的电容器在中心位置处的阻抗
，
这些电容器
具有相同的安装电感和
ESR
。
在高于自谐振频率时
，
阻抗曲线是相同的
。
图
7-14
腔体附加安装电感
ESL=2nH
的
lOOnF
的电容器后的阻抗曲线
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
图
7-15
空印制板加入
3
种不同电容器后的阻抗
曲线
，
每个电容器具有相同的安装电感
和
ESR,
但是容量为阶梯状增加
。
注意:
高于电容器的
SRF
时
，
阻抗曲线是相同
的
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
阻抗中第一个凹坑是安装电容器的自谐振频率
。
这个频率是由电容器的容量
、
电容器
对腔体的安装电感和从电容器上观察的扩散电感的串联组合一起决定的
。
高于电容器的自谐振频率时
，
阻抗趋向于电容器的安装电感加上扩散电感
。
提示
高于电容器的自谐振频率时
，
阻抗曲线与附加于腔体的电容值无关
，
它仅依赖
于电容器的安装电感和扩散电感
。
附加于这个平面的电容器容量
，
与电容器的
安装电感相比较时
，
仅有二阶或三阶的重要性
。
这个新的峰值是由安装电容器产生的
，
是除了腔体模态共振峰以外的峰
，
它的频率相