PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第242页
226 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 值 阻 抗大 约降 低了一半 。 对 于 0.%F 的电 容 器 ， ESR 是 28m 。 ， 远 大 于 平 面 串 联电阻 5m 。 。 当 使 用较高 ESR 的电 容 器 时 ， 腔 体串 联电阻降 低 峰 值 阻 抗 的 作 用 小 些 。 介 质 损 耗 对 腔 体 的 影 响 更 难 估 计 ， 但 是 可包含 在 仿 真 中 。 …
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
225
这个简单的模型说明了减小第一并联谐振峰值阻抗高度的重要原理
。
除了较低的
ESL
和较大的腔体电容外
，
降低峰值高度的另外一种方法是利用电容器的
ESR
。
使用较小容量
的电容器或受控
ESR
电容器来得到较大的
ESR
。
图
7-18
所示为在相同腔体上安装具有
4
个不同容量的电容器
，
仿真得到的阻抗曲线和对应的固有的
ESR
。
频率
(Hz)
图
7-17
具有
1
个和
9
个相同电容器腔体的阻抗曲
线
，
虽然电容器的数量增加了
9
倍
，
但峰
值阻抗的下降小于
1/2
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
图
7-18
单个电容器安装在一个无耗腔体上的仿真
阻抗曲线
，
这里指出
，
较大电容器容量和
较小
ESR
增加了第一并联谐振仿真阻抗
高度
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
这清楚说明电容器中
ESR
的重要性
，
较大的
ESR
更好
。
选择较小容量的电容器
，
不
是因为其容量小
，
而是它有较高的
ESR
。
提示
总是考虑使用小容量的电容器
，
不是因为它们的容量
，
而是它们较高的
ESR,
它在阻尼并联峰值谐振上有潜在的好处
。
注意
：
在这个分析中
，
我们不包括腔体损耗
。
当考虑腔体损耗时
，
峰值高度会降低
，
较大容量的电容器
，
在这里看上去并不坏
。
7.
11
腔体损耗和阻抗峰的降低
除了来自电容器的损耗之外
，
也有来自介质和导体的腔体损耗
。
通过比较平面串联电
阻与电容器的
ESR,
我们估算腔体中来自导体损耗的相关阻尼
。
平面串联电阻在
100MHz
(并联谐振频率)处大约为单位面积上的片状电阻
。
1/2OZ(1OZ=28.
3495g)
的铜
，
直流时片状电阻大约
lmQ/mZ
,
几何厚度为
17km
。
在
100MHz
时
，
铜的趋肤深度大约为
6.
6pm,
约为几何厚度的
40%
。
每个平面的分布电阻大
约为
lmQ/40%
=
2.5m
。
。
顶部和底部的电流回路是串联的
，
腔体的总串联电阻大约为
5
m
。
。
这个值近似为
10*F
电容器的
ESR
。
这样就降低了
q
因子
，
因此这个大电容器的峰
226
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
值阻抗大约降低了一半
。
对于
0.%F
的电容器
，
ESR
是
28m
。
，
远大于平面串联电阻
5m
。
。
当使用较高
ESR
的电容器时
，
腔体串联电阻降低峰值阻抗的作用小些
。
介质损耗对腔体的影响更难估计
，
但是可包含在仿真中
。
前面的例子不包含腔体损
耗
，
图
7-19
则包含腔体损耗
。
这表示
：
腔体损耗对降低并联谐振峰值高度有重要贡献
，
它应该包含在仿真中
。
附加的腔
体损耗减小了大容量电容器和小容量电容器之间的差别
，
其中每个电容器具有不同的
ESR
值
。
当我们在腔体中加入更多相同的电容器时
，
包含腔体损耗的峰值高度不会改变太多
。
对于大
ESR
的电容器
，
电容器损耗占据统治地位
，
腔体损耗是不重要的
。
但是当加入的是具有小的
ESR
且多个相同的大容量电容器
，
并包含腔体损耗时
，
电容
器数目增加
，
峰值阻抗下降
。
由于电容器和腔体损耗复杂的相互作用
，
所以估算这个影响
是困难的
，
仅能在
3D
仿真中准确地决定
。
图
7-
20
所示为腔体上有从
1
〜
25
个相同电容器
并包含腔体损耗
，
电容器的容量为
0.01
r
F
和
IO
r
F
情况下
，
峰值阻抗的比较
。
100
1MHz
10
1
0.1
0.01
0.001
10MHz
100MHz
频率
（
Hz
）
1GHz
10GHz
inn
频率
（
Hz
）
图
7-19
单个电容器安装在具有导体和介质损
耗的腔体中的仿真阻抗曲线
。
小容量
电容器的峰值高度不改变
，
而由于腔
体损耗
，
10/F
电容器的峰值高度从
50
。
降低到
12
。
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
图
7-20
腔体上有从
1
〜
25
个相同电容器并包含
腔体损耗
，
电容器的容量为
0.01/iF
和
10/F
情况下
，
峰值仿真阻抗曲线
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
这表示
：
当很多大容量电容器附加到印制板上
，
在降低仿真高度时
，
使用较高
ESR,
小容量电容器比大容量电容器更加有效
。
与使用单个电容器相比较
，
使用多个小容量电容
器不降低阻抗高度
，
它们仅改变峰值频率
。
提示
与单个小容量电容器相比较
，
多个较高
ESR
的电容器不降低腔体电容的并联谐
振
。
更多电容器并联减小了等效的
ESR,
它们不改变并联谐振频率
。
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
227
由于电容器的
ESR
随电容的变化以及不同
ESR
值的腔体损耗的影响
，
使得对各种组
合电容的峰值分析变得非常复杂
。
我们只能使用三维
(3D)
仿真器进行准确的分析
。
7.
12
使用多个容量的电容器来遏制阻抗峰
处理电源和地平面腔体的目标是降低峰值阻抗高度
。
如果回路电流中频谱分量在频率
范围内能激励存在的峰
，
则设计不具有鲁棒性
。
产品能否工作依赖于阻抗峰的频率和高
度
，
以及回路电流的频率分量
。
仅有的评估方法是要知道瞬时回路电流的波形和腔体准确
的阻抗曲线
。
这是非常困难的
，
常常做不到
。
提示
如果在信号分量的频率范围内存在腔体阻抗曲线的峰值
，
且具有足够大的瞬时
电流
，
则过度的串扰和
EMI
就存在好的机会了
。
准确地预测这种噪声的仅有方
法是知道瞬时电流的波形
。
在缺乏完整系统仿真的情况下
，
所有的希望是在给定的有限数目电容器的条件下
，
尽
可能地使峰值阻抗降低
。
对于固定的电容器数量
，
我们精确地知道一些电容器的并联电感
和腔体电容
，
对阻抗峰值高度的影响很小
。
正常情况下
，
为了电源完整性
，
我们处理具有电源平面的
PDN
是让它直到某个频率
一直有相当平坦的阻抗曲线
。
VRM
和与之相联系的大容量电容器以及不同容量的高频电
容器组合一起来完成这个任务
。
可是
，
当去耦电容器在更高频率处变为感性后
，
它与电源
平面的电容总是会形成并联谐振阻抗峰
。
电容器的安装电感和腔体电容的并联谐振形成的峰总是与用于电源完整性的电容值无
关
。
我们不能期待选择电容器对并联谐振峰值高度
、
串扰和
EMI
有多大的影响
。
虽然较小容量的电容器有较高的
ESR
和较低的峰值高度
，
但它们会与
VRM
一起产生
更可怕的低频谐振
。
图
7-21
比较了两种具有
12
个相同电容器的极端情况
，
电容器容量为
0F
或
0.0"F,
它们具有相同的
2nH
的
ESL
。
200MHz
的峰值大约为小容量电容器峰值
的
1/3,
但是在
3MHz
处低频谐振峰值非常大
。
在这个例子中
，
仅是裸板和
VRM
就产生
20MHz
左右的并联谐振
，
这是由于
VRM
的
串联电感和腔体电容的并联谐振产生的
。
印制板上加入
12
个相同的
0
・
0%F
电容器
，
产生两个并联谐振
。
3MHz
的谐振是由于
VRM
的电感和
12
个电容器的电容而产生的
。
200MHz
的并联谐振来源于电容器的电感和
腔体电容的组合
。
使用
12
个
IptF
的电容器可把第一谐振频率推向低得多的频率
，
而且有比较低的峰值
阻抗
。
但
200MHz
的峰值阻抗会增加
，
这是由于较高容量的电容器具有较低的
ESR
。
能否使用电容值的组合来平衡这两个并联谐振呢
？
有一些具有比较高的
ESR
的电容器
对抗高频峰值阻抗
，
有一些大的电容器对抗低频峰值阻抗
，
这就是我们所希望的
。
图
7-22
比较了
12
个电容器的两种组合
，
第一种分成
3
组
，
容量分别为
IptF
、
O.l^F
和
O.OlptF,
另外一种为
1
个
"F,
2
个
0.
I
r
F
和
9
个
0.
01
m
F
o