PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第246页
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…
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
。
第
7
章
信号返回平面改变时
，
信号完整性的探讨
231
•
如果不能做到这种安排
，
那么我们可以使用具有不同电压的平面对来作为回路
，
邻
近平面间加入薄的介质材料
。
相同电压的平面仍旧用短路通孔来连接
，
使用的间隔
同前面的结论
。
•
当要用足够多的短路通孔抑制腔体模式不实际时
，
那么最少在每个信号通孔邻近加
上一个回路通孔
。
这帮助减小回路电流耦合进入腔体
。
•
当构成腔体的平面电压不同时
，
实际上可加入有低安装电感的大容量电容器
。
安装
电感是它们最重要的特性
。
•
最佳的大容量电容器密度是能把腔体谐振频率推出信号带宽以外
。
当每个电容器的
安装电感低到
InH
时
，
最小密度大约为
：
密度
carres/i.
=
一缶显
（
7-64
）
•
决定大容量电容器密度的第二个条件是通过腔体电感的开关噪声和信号通孔密度
。
保持开关噪声低于信号摆动
10%的电容器密度是与信号通孔密度有关的
：
密度
caps
=
密度
sig
=
彘益
］
（
7
一
65
）
•
鲁棒性设计使用两个密度中的较大者
。
很多情况下是大数量的电容器
。
•
如果使用电容器的数量少于这个最佳数值
，
则对开关噪声这不具有鲁棒性
。
电容器
的使用密度至少要大于前面为降低开关噪声所估计的值
。
一
•
如果你知道瞬时电流频率曲线中有重大的峰
，
则选择的电容器容量要能减小这些频
率的峰值阻抗
。
•
如果你不知道峰值瞬时电流的频率
，
那么所有不同容量的电容器组合具有同样的风
险
，
是
"F,
还是
1/F
、
O.I
r
F
、
0.01
m
F,
电容器分配都一样
。
最重要的品质是低的
ESR
和更多的电容器
。
•
如果可能
，
则使用受控
ESR
电容器来降低并联谐振峰值阻抗
。
这可决定电源完整性
目标阻抗下的最小限制
。
虽然存在可能工作的其他结构
，
但它们的鲁棒性设计指导方针用不着同上面描述的那
样
，
对瞬时电流不使用全波
3D
仿真来决定平面结构
，
这是很困难的
，
也是难以接受的
。
无论如何
，
由于腔体中扩散电感的复杂性
，
腔体损耗和阻抗与附加电容器相互作用的
复杂性
，
预期腔体噪声的准确估计的唯一方法是使用包含瞬时电流波形的
3D
全波仿真器
。
7.
15
高级主题
：
使用传输线电路对平面建模
虽然有些仿真工具允许电路仿真的
s
参数直接进行合并
，
但这不是所有的
。
在任何与
SPICE
兼容的电路仿真器中
，
使用简单的传输线模型来仿真平面的阻抗曲线是可能的
［
36
。
当我们从中心开始探测
，
可用
4
根辐射向外的传输线代表腔体
。
除此之外
，
有一些扩
散电感从中心观察点馈向每根传输线
。
图
7-25
所示为模拟腔体的传输线电路模型
。
这个模型是对腔体简单的近似
，
使用一个单元来描述整个腔体
。
这种单元使用相互连
接的网格可构成更复杂的模型
，
然后就可能模拟更高阶任意腔体形状的腔体
。
这是用于一
些商业仿真器中与
SPICE
兼容的基础
。