PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第245页
第 7 章 信号 返 回平 面 改 变 时 , 信号 完整性 的 探 讨 229 值 阻 抗 , 虽 然 这 具 有 “ 低价 格 ” , 但 它没有 鲁 棒性 。 使 用 受 控 ESR 电 容 器 的 方法 能降 低 更多 峰 值 , 使 腔 体 更 具 有 鲁 棒性 。 这 些 电 容 器 的 典 型 值为 5F 或 者 lO^F, 而 ESR 比正常 值 高 , 典 型数 值 范 围是 从 0.2-1 。 。 提 示 传 统 M…

228
PDN
设计之电源完整性
:
高速数字产品的鲁棒和高效设计
频率
(
Hz
)
图
7-21
印制板
、
VRM
和两种不同组合的
12
个
电容器的阻抗进行的比较
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
图
7-22
电容器总数
12
个
,
3
种组合的比较
。
任何大和小容量的电容器组合给出相
同的并联谐振峰值高度
。
使用
Mentor
Graphics
HyperLynx
PI
进行仿真
我们看到
:
对于任何小和大容量电容器的组合
,
在
200MHz
处会给出大约相同的并联
谐振峰值高度
。
精确组合是不重要的
,
但差别非常大
。
其他的并联谐振峰值频率围绕特殊
电容器组合的频率进行移动
。
这些新的峰值频率可能是好的也可能成问题
。
若不知道腔体
回路电流的频率分量
,
则无法判断结果是坏的
、
好一点或者很差
。
这里指出
:
在设法减小并联谐振峰值高度方面
,
使用几个低和高容量的电容器要好于
使用相同容量的电容器的情况
,
但是差别非常小
。
提示
当选择电容器容量来降低腔体第一阻抗峰和通孔-通孔之间的串扰和
EMI
时
,
电
容器的精确数值是不重要的
。
加入几个小容量电容器可能会降低并联谐振峰值
高度
,
但是帮助不大
。
为了电源完整性
,
一般把阻抗曲线处理成平坦形状
。
知道回路电流中主要的频率分
量
,
我们能选择特定的电容器容量来减小特定频率的峰值
。
在缺乏回路电流频谱信息的情
况下
,
这些电容器的任何组合都可工作
。
实际上通常使用
3
种不同容量的电容器
,
也可以
对所有电容器使用相同容量
。
到了这里我们看到
:
阻抗曲线没有多大的差别
,
任何途径都
能工作
,
两种方法都存在相等的风险
。
使用电容器的数量是更为重要的课题
。
提示
选择电容器来降低腔体阻抗的最重要的设计原理是使用更多的具有低电感的电
容器
。
7.
13
使用受控
ESR
电容器来减小峰值阻抗高度
当我们在印制板上使用不理想数目的电容器时
,
在低于信号带宽的频率范围内存在峰

第
7
章
信号返回平面改变时
,
信号完整性的探讨
229
值阻抗
,
虽然这具有
“
低价格
”
,
但它没有鲁棒性
。
使用受控
ESR
电容器的方法能降低更多
峰值
,
使腔体更具有鲁棒性
。
这些电容器的典型值为
5F
或者
lO^F,
而
ESR
比正常值高,
典型数值范围是从
0.2-1
。
。
提示
传统
MLCC
电容器中最高的
ESR
仍旧如此之低
,
以至于电容器和腔体并联谐振
的
q
因子仍旧远在
1
以上
。
如果我们处理电容器的
ESR,
使之比
MLCC
的固有
ESR
高得多
,
则腔体谐振的夕因
子会戏剧性地降低
,
峰值阻抗戏剧性地减小
。
电容器的
ESL
和腔体电容谐振时的峰值阻
抗为
:
(
ESLcap
+
^spread
)
)
/peak
=
q
因子
XZ0=
岛义与
—
—
1
---------------
L
(
7-57
)
^cavity
增加电容器的
ESR
会降低峰值阻抗
。
图
7-23
所示为
ESL
=
2nH
的
10
户单个电容器和
3
个不同
ESR
值的仿真阻抗曲线
。
ESR
增加到
1
。
,
则仿真阻抗的下降因子达到
20
甚至更多
。
电容器的
ESR
对更高频率的腔体模态共振的阻抗峰值没有影响
,
这正如我们预期的那
样
,
它对电容器电感和腔体电容形成的并联谐振才有影响
。
当我们使用多个电容器并联时
,
由于并联组合有较低的
ESL,
所以使谐振频率上移,
但是较大
ESR
的影响仍旧是突出的
。
图
7-24
所示为
16
个相同的电容器分布在腔体表面,
并具有
3
种不同的
ESR
值
(
0.0035
。
,
0.
2
。
和
10
)
时的阻抗曲线
。
比较高的
ESR
戏剧性地
阻尼了并联谐振
。
图
7-23
具有
VRM
的印制板上有相同的
10
M
F
电容器但有
3
个不同
ESR
值的阻抗曲
线
。
lOptF
的
MLCC
电容器的典型
ESR
值是很低的
0.0035
。
,
受控
ESR
电容
器的典型值为
0.
2
。
和
1
。
图
7-24
具有
VRM
和
25
个
10
户相同的电容器
,
其安装电容为如
H
的空腔的阻抗曲线
。
比较了
3
种不同的
ESR
值
(
0.
0035
。
,
0.2
。
和
1
。
)
。
注意峰值阻抗的重要阻
尼
。
使用
Mentor
Graphics
Hyper
Lynx
PI
进行仿真

230
PDN
设计之电源完整性
:
高速数字产品的鲁棒和高效设计
虽然受控
ESR
电容器对减小阻抗峰值有效
,
但是为了电源完整性
,
使用合理数目的受
控
ESR
电容器来满足低的目标阻抗
,
一般是困难的
。
提示
当对附加于腔体的电容器数量实施限制时
,
降低印制板上峰值阻抗值最有效的
方法是使用
ESR
值高达
1
。
的受控
ESR
电容器和多个电容器并联的形式
。
使用受控
ESR
电容器的一个重要方面是低频
,
腔体阻抗受限于较高
ESR
的并联组合
。
阻抗是通过腔体看人的任何瞬时电流的阻抗
,
为了保持腔体噪声为可接受的电平
,
需要设
置电容器最小数目的限制
。
如果阻抗曲线是平坦的
,
那么腔体中的电压噪声与通过腔体的总回路电流和这个最小
阻抗有关
。
我们得到的腔体噪声为
:
V
Vnoise
=
Requiv
X
%g
于
(
7
一
58)
乙
。
和
Requiv
=
—
XESR
(7-59)
“
caps
或者
Vnoise
_
ESR
乂
_sig
_
sig
*
ESR
60)
Kig
和
“
caps
Z
()
“
caps
“
sig
_
Vnoise
7
Z
q
-------- ----- -------------
---------
Laps
Kig
ESR
(7-61)
例如
,
如果信号阻抗是
50
。
,
每个电容器的
ESR
是
1
。
,
则
10%
的噪声限制需要:
货义金=°
・
】
°义第
=5
(7-62)
"caps
我们应该与估算的信号数量进行比较
,
估算的信号数基于通过电感产生的平面弹跳来
共用大容量电容器
。
当
ESL
是
InH
时
,
从式
(7-37)
可估算
:
=
5
X
RT[ns]
(7-63)
“
caps
当上升时间是
1ns,
根据上升时间和
ESR
来考虑
,
可估算相同的数目大容量电容器
。
当使用受控
ESR
电容器时
,
ESL
和
ESR
都是重要的设计参数
。
7.
14
处理回路平面最为重要的设计原理的总结
前面详细的分析给出了简单但是重要的指导方针
,
它们适用于设计鲁棒性中回路平面
的多层印制板
。
其中多层印制板在不同平面间有多个信号转移
。
•
最具鲁棒性设计是使用相同电压的回路平面(如
Vss
和所有相同的电压回路平面)使用
短路通孔连接在一起
,
通孔的间隔小于信号最高频率分量波长的
1/6
。
短路通孔间距
(单位为
in)3
倍于以纳秒
(ns)
为单位的上升时间
。