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258 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 从 芯片 到印制 板 腔 体 的谐 振 。 构成 Bandini 山 的相 同 阻 抗 也 构成 了 滤波 器 ， 它 隐藏 了从 芯 片电路 到印制 板 的 模态 谐 振 。 片 上 电 容 使 阻 抗比 印制 板 腔 体 的 低 得多 。 当 附 加 腔 体 时 ， 从 芯片 焊 盘看 到 的阻 抗曲 线 上 有 一个 新 特 性 。 大 约…
第
8
章
PDN
生态学
257
8.8
从芯片通过封装看
PCB
腔体
现在我们在
VRM
仿真和上一节所示的腔体
S
参数模型中加入封装及芯片
。
我们看人
印制板腔体阻抗的重要特性之一是
1GHz
以上的模态谐振
。
虽然这些代表了高峰值阻抗,
对信号完整性和
EMI/EMC
它们属于重要的概念
，
但从芯片焊盘上却看不到它们
，
且不影
响片上电路的电源品质
。
当通过封装看时
，
芯片通过封装回路电感看到了其余的印制板
，
这个电感随频率增
加
。
当与封装电感相互作用时
，
它看到了片上去耦电容的阻抗
，
在
Bandini
频率时增加
。
这意味着
：
腔体谐振阻抗通常发生在比
Bandini
山频率高得多的频率上
，
由更加高的阻抗
所滤除
，
对片上阻抗和片上
PDN
噪声不起作用
。
当信号直接看到腔体的噪声环境时
，
这
种情况会形成鲜明的对比
。
我们使用一个简单的例子来说明这个问题
，
片上电容是
50nF,
ESR
是
5m
。
，
封装引
线电感是
250pH
。
印制板腔体的边长为
5in,
平面之间的间隔为
lOmil
。
一个简单的
VRM
连接到腔体
。
我们探测
3
种情况的仿真阻抗
：
•
情况
1
：
单独具有
ODC
和封装引线电感的芯片焊盘的阻抗
，
并且它从封装端口到
Xs
短路
。
•
情况
2
：
从
PCB
通孔观察的单独具有
VRM
的阻抗
，
这里的封装是正常的附加
。
•
情况
3
：
使用简单附加
VRM
时
，
从芯片焊盘通过封装看向腔体的阻抗
。
图
8-16
所示为仿真的阻抗曲线
。
当印制板边的封装引线被连接到
Ks,
即情况
1
（
单独具有封装和
ODC
）
,
在低频时从
芯片焊盘看到的阻抗是低的
，
它正是短路的引线电感
。
大约在
45MHz
处的并联谐振峰是
来自峰值电感和片上电容
。
情况
2
中的阻抗
（
看入腔体具有单一的
VRM
）
,
在低频时显示为
VRM
的电感
。
大约在
30MHz
处的并联谐振峰来自
VRM
的电感和腔体电容
。
大约在
200MHz
时发生阻抗凹坑
，
这是
在第
6
章和第
7
章讨论的串联
LC
谐振
。
在
高于
1GHz
时
，
印制板模态谐振清晰可见
。
在情况
3
下
，
封装回路电感包含腔体
连接到
VRM
的大约
10nH
的电感
。
从封
装芯片焊盘处观察
，
片上电容与封装引线
电感和
VRM
电感并联
，
因为二者是串联
到地的
。
这样就把阻抗峰移到了很低的频
率
。
Bandini
山是片上电容向外看时封装
回路电感的并联组合
，
是非常高的
。
与短
路封装相比较
，
Bandini
山峰值频率从
45MHz
下移到
7MHz
。
芯片焊盘看不到腔体的谐振
。
封装电
感与片上电容一起构成滤波器
，
它隐藏了
图
8-16
3
种情况的阻抗曲线
。
在封装电感和片上电
容滤除效应后
，
PCB
模态腔体谐振看不到
了
。
使用
Keysight
的
ADS
仿真
258
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
从芯片到印制板腔体的谐振
。
构成
Bandini
山的相同阻抗也构成了滤波器
，
它隐藏了从芯
片电路到印制板的模态谐振
。
片上电容使阻抗比印制板腔体的低得多
。
当附加腔体时
，
从芯片焊盘看到的阻抗曲线上有一个新特性
。
大约在
180MHz
时
，
有
一个小的阻抗扰动
，
这时会出现一个峰和一个凹坑
。
这大部分是峰值引线电感和带有腔体
电容的腔体分布电感形成的并联电路
。
由于稍微高的封装引线回路电感
，
这个特性会把频
率移到此腔体分布电感和腔体电容的串联谐振阻抗的凹坑稍微低的频率处
。
高于这个频率
，
从芯片焊盘看到的阻抗是片上去耦电容
。
低于这个频率
，
阻抗是片上
去耦电容和腔体电容的并联组合
，
结果是稍微低的阻抗
。
这可由简化后包括它的电容模型
来证明
，
以显示这些阻抗特性仍旧存在
。
腔体中最简单的模型是理想电容器
。
因为腔体电容回到地
，
所以它具有
VRM
附加
，
等效电路是
VRM
的
R
和
L
与腔体
电容的并联
。
使用
3D
场求解器求解加入
VRM
的腔体阻抗
，
在图
8-17
中它与简单
集总参数模型进行了比较
，
腔体电容是根
据尺寸估算的
。
使用这个近似
，
直到
100MHz
阻抗曲
线都能很好地匹配
，
这里腔体的分布电感
效应没有包括在简单模型中
，
这很明显
。
我们使用这个腔体近似集总参数电路模型
和使封装引线电感连接到
VRM
来探索芯
片焊盘看到的景象
，
并与腔体的
3D
模型
图
8-17
使用
3D
场求解器抽取的使
VRM
连接到腔
体的阻抗曲线和使用基于腔体尺寸的简单
集总参数电路近似的阻抗曲线
进行了比较
。
图
8-18
所示为比较了腔体自己看到的阻抗
，
以及从芯片焊盘看到的
3
种情
况
：
S
参数
、
3D
腔体模型和集中参数电容腔体模型
。
2
1
1
1
E
E
一
1
1
EI
X
(
0
)
搏 尽
VRM
、
ODC
、
封装弓
I
线以及
C
型腔模型
VRM
和腔体的
S
参数模型
VRM
、
ODC
、
封装引多
以及腔体的
S
参数模型
图
8-18
腔体中看到的阻抗
，
以及对于封装连接到
3D
S
参数腔体模型和具有简单
RLC
腔体
模型的
VRM,
在芯片焊盘处看到的阻抗
第
8
章
PDN
生态学
259
明显
，
从芯片焊盘看过去的阻抗曲线是类似于
3D
腔体模型和简单的
RLC
模型
。
在大
约
180MHz
处有小的阻抗扰动
，
在这两种情况下
，
频率上的阻抗线有明显的移动
。
扰动是
由于腔体电容和封装或腔体分布电感的相互作用而产生的
。
在这个例子中
，
腔体电容大约
为
7.2nF,
封装引线电感为
0.25nH
。
这个小扰动对改变
VRM
的电感不敏感
，
但是对改变腔体电容非常敏感
。
提示
分析证明
：
腔体对从芯片焊盘处看到的阻抗影响不大
。
对于通过封装从芯片焊
盘看入印制板腔体
，
腔体多半是透明的
。
为解释与腔体相关的峰值阻抗
，
附加一个电容器与对应的腔体电容
PDN
并联就足够
了
。
这戏剧性地简化了
PDN
曲线模型
。
腔体模态谐振对电源完整性问题不重要
。
8.9
空腔的作用
：
小印制板
、
大印制板和
“
电源旋涡
”
从芯片焊盘的观点来看
，
通过封装看入印制板
，
腔体谐振一点也不起作用
。
腔体行为像一
个集总参数电容器
。
这意味着除了
MLCC
电容器和
BGA
焊盘之间的分布电感的贡献之外
，
腔体
特性对电源完整性应用有很小的影响
。
我们对封装的电源平面有相同的评论
。
平面电容和腔体
谐振不会扰动核心逻辑的低阻抗电源
，
因为它们被片上电容所覆盖
。
分布电感是腔体的重要特性
。
下面的例子说明了这个效应
。
从仿真模型中看入
lOmil
厚的腔体阻抗
，
使用
Sii
和
Zn
技术
，
从中心观察点观察
。
腔体上是
9
个去耦电容器
，
每个容量为
lOOnF,
安装电感为
InH,
ESR
为
25m
。
。
仿真了两个腔体尺寸不同的阻抗和
S
参数
；
一个腔体具有
lin
长的
边长
，
另外一个腔体具有
10in
长的边长
。
腔体电容相差
100
倍
。
两种腔体的电容值是
：
Ccavity-iinch
=
0.
225
更
X
Dk
义
=
0.
225
/
X
4.
3
义
J*.
=
0.
lnF
(8
,
39
)
in
h
in
0.
Olin
C-
=
。
.
225
哈
X
Dk
X
。
.
225
哈义
4.
3
义㈱
=
10nF
（
8-40
）
图
8-19
所示为这两个腔体的相对刻度
。
从有电容器加入的腔体中心观察阻抗
，
可知它有
4
个有特色的阻抗特性
。
在最低频率处
，
阻抗与电容器的电容值有关
。
相
同电容器在不同腔体中时
，
阻抗曲线是相同的
。
较高频率处的阻抗特性是电容器的自谐振频率,
每个腔体应该是相同的
，
预期为
：
,_
159MHz
J
SRF
一
一
/
.
r
1
一一
.
，
Leap
[nH
【
Ccap
[nF]
1
59MH
7
=
10
^
iVirLZ
—
—
=15.
9MHz
(8-41)
yinH
X
lOOnF
当我们在电容器和观察点之间附加分布电感时,
图
8-19
例子中两个腔体的刻度
。
左边
的边长
lin,
右边的边长为
10in
o
每个都有
9
个电容器,
仿真阻抗是从中心看出的阻抗
这个自谐振频率移动到稍微低的频率处
。