PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第292页
276 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 目 标 阻 抗 ： 100m 。 、 最大 频率 ： 0. 2GHz. 片 上 电 容 ： 50nF 、 片 上 电 容 的 ESR ： 5m 。 、 封 装 引 线电 感 ： 250pH 、 腔 体厚 度 ： lOmil , 腔 体 Dk ： 4.3 、 腔 体 尺寸 ： 5inX5in 、 腔 体 电 容 ： 2.4nF 、 从中 心探测 。 …
第
8
章
PDN
生态学
275
图
8-30
对于不同的印制板面电阻
，
从芯片焊盘看过去的阻抗曲线
。
注意
：
使
71m
。
的峰值
阻抗等于
Bandini
山的特性阻抗
，
大约为
100m
。
2
.
最佳的印制板面电阻等于目标阻抗
。
较低的值对阻尼没有贡献
，
而较高的值在低频
时有大的阻抗
。
3
.
较高的印制板电阻与较小印制板电阻相比
，
一般需要较少的元件
，
可实现低价格
。
这促使实现了印制板面电阻等于目标阻抗
，
最具鲁棒性和高性价比的设计指导方针
。
在开始分析
MLCC
电容器加入印制板来控制峰值阻抗时
，
我们考虑估算电容器数量的
两种方法
：
1
.
由于在较高频率处
，
需要足够数量的电容器
，
所以它们的感性阻抗低于目标阻抗
。
2
.
安装于印制板上的电容器并联组合后的电感应该小于封装引线电感
。
可是
，
当印制
板电感远小于封装引线电感时
，
我们会达到一个平衡点
。
这些条件是
：
ni
>
27r/
m
ax_iim
x
ESR
cap
(8-77)
,target
小
〉
簪迪
(8-78)
-^package
注意
：
这里的分析是近似的
。
虽然它提供了重要的设计指导方针
，
但我们应该通过电
路仿真得到最终的关于印制板面电阻的优化值
。
根据这个观点
，
对于鲁棒性和高性价比的
PDN
来说
，
绝对最好的情况是使印制板面
的阻抗看上去是一个电阻
，
并且等于目标阻抗
。
我们分析一些通用的方法来优化印制板面
的
PDN,
探索它们的影响
。
8.
15
在具有一般特性的印制板上使用单数值的
MLCC
电容器
从阻抗曲线开始
，
由焊盘通过封装看向印制板
，
印制板包含腔体
、
VRM
和大容量电
容器
。
为了说明设计原理
，
我们选择前面描述过的系统
。
在第
10
章
，
我们探索印制板研究
案例的影响
。
在这个最初的系统中
，
使用开始时的条件
，
如下所示
。
276
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
目标阻抗
：
100m
。
、
最大频率
：
0.
2GHz.
片上电容
：
50nF
、
片上电容的
ESR
：
5m
。
、
封
装引线电感
：
250pH
、
腔体厚度
：
lOmil
,
腔体
Dk
：
4.3
、
腔体尺寸
：
5inX5in
、
腔体电
容
：
2.4nF
、
从中心探测
。
VRM
电感
：
10nH
、
VRM
电阻
：
1m
。
。
一个隔直去耦电容器的参数
：
每个隔直去耦
电容器的容量
：
100/F
、
隔直去耦电容器的
ESR
：
5m
。
、
隔直去耦电容器的安装电
感
：
5nH
o
3
个阻抗曲线会说明这个条件
：
1)
印制板理想短路下芯片层面的阻抗
，
2)
仅加入
VRM
和大容量电容器时的腔体阻抗
，
3)
封装芯片连接到具有
VRM
和大容量电容器的腔
体时
，
芯片层面的阻抗
。
图
8-31
说明了这
3
个观察点
。
图
8-31
案例中开始研究的
3
个阻抗曲线
：
1)
具有短路印制板的
ODC
和封装电感
，
2)VRM
、
腔体和大容量电容器
，
3)
完整的
PDN
系统组合
当封装电源球短路到地
，
当电源球连接到
VRM
和大容量电容器时
，
从芯片焊盘看到
的阻抗曲线
，
这是两种极端情况
。
当短路的封装用
VRM
和大容量电容器来代替时
，
我们
看到
Bandini
山元件移到较低的频率处
，
且峰值阻抗已经增加
。
额外的
MLCC
电容器附加
在
VRM
和大容量电容器上来平缓这个峰
。
使用由式
(8-77)
式
(8
-
78)
描述的两个条件
，
能估算需要多少个电容器来使这个阻抗峰
低于目标阻抗
。
n\
>
27t/max_iim
义/一
ESR
cap
=
2
冗
X
0.
2GHz
X
=
13
(8-
79)
/target
1
我们将分析加入一个
MLCC
电容器时
，
它对从芯片焊盘看到的阻抗曲线的影响
。
印制
板面阻抗曲线的影响依赖于电容器的自谐振频率
(SRF)
。
这
SRF
可能是较高
、
较低
，
或等
于
Bandini
山峰值频率
。
图
8-32
所示为这
3
种情况与无
MLCC
电容器的两种极端情况的比
较
。
不管其容量如何
，
假设
MLCC
的安装电感是
InH
。
根据其容量和第
5
章介绍的模型,
进行动态地计算它的
ESR
。
第
8
章
PDN
生态学
277
ADS
1E2
1E1
E
1
1
(
C
)
君
屈
1E-2
1E-2-
1E1
一
1E-2-
1E-1
-
1E1
-
IE-3
1E4
1E5
1E6
1E7
■H
■
•
«
»«■■■■■»
*
x
W
(*
*•
«
•
^SiiS
"■
"
ZZZ
二二二
二
：
：
,
IIKI
VW1HM
网■期|岫
■!
■删■酶
::
=
=
hd
=
=
W
3
浑:
=^彳占
缸停
：
三三
，
；
；
S=S=WK
：
；
；
；
S=N
=磊指
；
=="
；
；
；
；
；
：
=
；
,
5
«*
*
<«
wmbi
llllllKfMfllt
------
■■■■例
E
运,星宅兖品量坐冬超
il
S
：
；
；
；
；
ISS35
；
；
；
；
：
：
sS
i
,
；
WB
・
♦
■
■
sAWVivf
1E8
1E9
1E10
频率
（
Hz
）
图
8-32
从芯片焊盘看到的阻抗曲线
，
3
种不同容量的
MLCC
电容器贴附在印制板上
，
并
且与印制板短路和无
MLCC
电容器这两种极端情况进行比较
当没有
MLCC
电容器时
，
Bandini
山是由片上电容
，
大容量电容器电感串联封装引线
电感后的并联谐振产生的
。
使用短路印制板
，
Bandini
山是由片上电容和封装引线电感单独
并联谐振产生的
。
附加一个
MLCC
于印制板
，
电感和电容不同的组合会产生两个并联谐振峰
。
图
8-33
说明了并联电路组合后产生的两个峰
。
图
8-33
印制板加入单一的
MLCC
后
，
还有片上电容
、
封装引线电感
、
大容量电容器和
VRM
的等效电路模型