siwave在单板PI设计中的应用.doc

. SIWAVE在单板PI设计中的应用目 录目录2第一章概述3第二章　电源完整性设计流程20第三章　电源阻抗设计22第四章　文件格式转换23第五章　仿真前预处理25第六章谐振模式仿真31第七章频率扫描〔AC SWEEP〕40第八章 SYZ参数仿真44第九章 SPICE参数提取49第一章 概 述1.1概述在电路设计中,一般我们只关心信号的质量问题,加上仿真分析软件的局限性,往往局限在信号线上进行SI仿真研究,而把电源和地当成理想的也就是一个完整的参考平面来进行仿真计算的在速度不高的情况下这样简化分析的误差可能不是很大,但在高速设计中,这种严重脱离了PCB的实际情况的简化分析,会使仿真出来的数据与实际相差甚远PI即电源完整性的提出,正是源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差 随着信号传输速度的增加以及设计的愈加复杂性,多种电源和多种地需要同时使用,再加上各种过孔和插件元器件的影响,使完整的地电层没有可能存在,使得地电平面被分割而成为有缺陷的平面,由此可能会产生感应噪声。

当这种噪声大到一定程度时,会影响集成电路的功能和性能这种噪声是指Delta-I、地弹或瞬态开关噪声大量器件同时开关所需要的瞬时电流会引起电源和地平面上的电压波动,我们称之为SSN,或者Delta-I噪声或者电源/地弹〔Ground bounce〕由于电源/地系统提供的非理想回流路径,SSN将减慢信号传输速度电源完整性同样直接影响最终PCB板的信号完整性电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路,直接决定回流路径,从而影响信号的完整性；电源完整性和信号完整性二者是密切关联的,而且很多情况下,影响信号畸变的主要原因是电源系统例如,地反弹噪声太大、去耦电容的设计不合适、回路影响很严重、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、电流不均匀等等良好的地电平面设计正是电源完整性设计所涉及的内容,通常通过设计合适的电源目标阻抗来实现将芯片工作电源、地作为一个端口,如果该电源目标阻抗越小,则从噪声源耦合到电源分配系统的噪声也就越小所以通过调整PCB叠层,电源、地的合理分割、去耦电容容量的选取以及位置的摆放等等措施来调整目标阻抗,使电源的波动在正常的工作范围内,从而达到电源完整性的要求低的电源、地噪声也直接影响到对EMI的控制。

根据FCC标准,在1GHz的频段范围内,要求整机的辐射发射和传导发射不得超过标准值EMI在很大程度上和电源、地设计有关,因为电源完整性问题就其根本原理而言就是一个较为复杂的电路与电磁场相互影响的问题通过电源完整性设计来降低电源及电地平面引起的EMI辐射,也是降低整板EMI辐射的一个手段1.2 电源地平面的谐振特性在高频时,由于分布电感ESL的影响,电源、地平面相当于一个谐振腔,具有谐振特性图1－1是一块完整的PCB板模型,从图中我们可以看到,电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络,也可以看成是一个共振腔,在一定频率下,这些电容和电感会发生谐振现象,从而影响电源层的阻抗随着频率的增加,电源阻抗是不断变化的,尤其是在并联谐振效应显著的时候,电源阻抗也随之明显增加造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大；二是电流回路上存在的电感从表现形式上来看又可以分为三类：同步开关噪声〔SSN〕,地弹〔Ground bounce〕现象也可归于此类〔图1-a〕；非理想电源阻抗影响〔图1-b〕；谐振及边缘效应〔图1-c〕归根到底,都是由于电源地平面的谐振阻抗特性所造成的。

图1－1 PCB等效模型1.3 电源分配系统电源完整性设计是一件十分复杂的事情,但是如何控制电源系统〔电源和地平面〕之间阻抗是设计的关键理论上讲,电源系统间的阻抗越低越好,阻抗越低,噪声幅度越小,电压损耗越小实际设计中我们可以通过规定最大的电压和电源变化范围来确定我们希望达到的目标阻抗,然后,通过调整电路中的相关因素使电源系统各部分的阻抗〔与频率有关〕去逼近目标阻抗也就是通过去耦电容、平板电容、叠层等手段调整阻抗图1-2 电容、平面滤波的频率特性1.4 滤波电容特性在频率很高时,电容不能再被当作一个理想的电容看,而应该充分考虑到它的寄生参数效应,通常电容的寄生参数为ESR,ESL,其等效电路如图1－3串联的RLC电路在f处谐振其曲线如图1－4图中f为串联谐振频率〔SRF〕,在f之前为容性,而在f之后,则为感性,相当一个电感,所以在选择滤波电容时,必须使电容器工作在谐振频率之前图1－3 电容等效电路由串联谐振回路的谐振频率计算公式可知：自谐振频率,图1－4 电容器阻抗特性1.4.1去耦、滤波电容的选择在电源完整性设计中,我们要解决的主要是高频噪声,要求去耦电容具有良好的高频滤波特性和非常小的等效电感、等效电阻。

电解电容器、纸介电容器和塑料薄膜电容器不适合用于高频去耦这些电容器基本上是由多层塑料或纸介质把两张金属箔隔开然后卷成一个卷筒制成的这种结构的电容具有相当大的自感,而且当频率只要超过几兆赫时主要起电感的作用铝电解电容主要用在电源模块部分,它的容值可以作的很大固体钽电容的低频特性非常好,容量大,而且ESR也很小,但由于压电效应,容量随偏置电压变化较大对于高频去耦更合适的选择应该是单片陶瓷电容器,因为它们具有很低的等效串联电感单片陶瓷电容器是由多层夹层金属 薄膜 和陶瓷薄膜构成的,而且这些多层薄膜是按照母线平行方式排布的,而不是按照串行方式卷绕的陶瓷电容高频特性非常好,性能稳定,ESR很小最常用的陶瓷电容类型是NPO、X7R、X5R、Y5V,其中NPO为一类陶瓷电容,ESR最小,电压特性与温度特性最好,但通常容量较小,最大容量到数百pF,价格最贵X7R为二类陶瓷电容,电压特性与温度特性较好,容量通常在几nF～几uF在PI设计中,用的最多的就是这两种1.4.2分布参数对电容阻抗频率特性的影响l ESL、ESR一定,电容量变化的电容阻抗频率特性图1－5 l 电容值、ESR一定,ESL变化的电容阻抗频率特性图1－6 l 电容、ESL一定,ESR变化的电容阻抗频率特性 Less ESR图1－7 l 相同电容组合的阻抗频率特性由图1－8,相同电容并联组合,一方面电容量增大,但同时ESL减小,所以SRF不变。

由于ESR减小,从而容抗和感抗都会降低图1－8 l 不相同电容组合的阻抗频率特性由图1－9,不相同电容并联组合,使相应频段内的阻抗都能得到控制图1－9 l 各种电容的阻抗频率特性图1－101.4.3 去耦电容放置方式产生的寄生电感 去耦电容最好要与电源地平面靠近,离电源地平面越近过孔产生的寄生电感越小；电源地回流过孔越靠近,回路面积越小,耦合效果越好；1.5 电源、地耦合平面的电容特性通常电容器在500MHz以上,由于分布参数的影响,高频陶瓷去耦电容的去耦效果就大打折扣利用电源地平面的平板电容器特性来进行高频滤波,也是一个非常好的方法由于其ESR、ESL都很小,在100MHz以上直至GHz的范围内具有良好的去耦滤波特性,所以设计一个良好的电源、地平面,无疑就能够起到对RF能量的有效抑制电源、地平面的电容粗略计算为：其中,平面之间介质的介电常数〔FR-4材料,〕,平面的面积〔〕,平板间距〔mm〕由上式可知,10mil厚度,FR-4基材的电源、地平面将有的电容在3G平台项目MNIC单板中,就多次采用这种人工制作电容方式来处理-48V入口处、CPU等处的去耦问题,起到非常好的作用,也就是在PCB板走线层和平面层分别加上接电源地的大块铜皮。

1.6 电磁辐射1.6.1 差模远场辐射差模辐射由环路电流产生差模辐射的模型通常基于磁偶极子磁偶极子指回路的长度远远小于信号的波长〔波长=λ=c/F, c为光速,F为频率〕如图1-12 当 L =2πa <<λ时,回路为磁偶极子图1-12以下针对于理想磁偶极子场强的公式来自于MAXWELL方程当距离r>λ/2π时属于远场〔当距离r<λ/2π时属于近场对于差模远场辐射以上等式〔10.1a和10.1b〕可以简化为：上述公式中,如果环路的长度大于λ/2时,即：L≧λ/2, L应按L=λ/2计算,输入公式中的环路的面积A应该调整至长度最大为λ/2时的面积例如,如果圆形环路周长大于λ/2,填入公式中的正确的环路面积A应该为周长是λ/2的面积即：A =πr²＝π〔L/2π〕²＝π〔λ/4π〕²环路面积A为λ²的倍数如果L<λ/2,取实际的环路面积这种"天线萎缩"的物理解析是,如果天线相对频率足够长时,天线上存在波峰和波谷,波峰和波谷间会相互抵消一些辐射1.6.1.1 差模远场辐射与频率的关系对于远场〔式10.4a〕辐射与频率的平方成正比,即以40dB/Dec上升当频率足够高时,环路长度大于λ/2时,有效的环路面积为λ²的倍数。

当〔式10.4a〕中面积中的λ²,与λ²抵消也就是说,随频率的增加,在 F = c/2L时〔c为光速L为回路长度〕,辐射场而成恒定图1-13 显示了对于给定回路的辐射与频率的关系图1-13 远场与频率的关系对于数字信号系统,可以用付立叶变换观察信号的频谱图1-14是时钟信号的Fourier 频谱及包络线图1-14 数字信号频谱的包络线图1-14中Fourier 频谱的包络线,在频率 f = 1/πTr 之前,幅频特性以20dB/Dec 下降〔与频率成反比〕此后则以 40dB/Dec下降〔与频率的平方成反比〕当数字信号的频谱〔辐射源〕与图10-13的远端辐射的频率特性结合,我们得到图1-15的数字信号的差模辐射特性图1-15 差模辐射远场与频谱的关系由于辐射场与电流环路面积成正比,环路面积越小辐射越小设计时,应该最小化环路面积1.6.2 共模远场辐射共模电流是指在回路中电流流向一致的电流作为空间中孤立的导线,当L<<λ时,可以等效为电偶极子图1-16 为电偶极子的示意图其中 L是辐射线的长度图1-16以下是理想的电偶极子的关于共模辐射的MAXWELL 方程：当距离r>λ/2π时属于远场〔当距离r<λ/2π时属于近场〕。

对于共模远场辐射,式〔10.6b〕和〔10.6c〕可以简化为：上述公式中,如果L≧λ/2, L应按L=λ/2计算,环路的面积A作适当的调整如果L<λ/2,取实际的环路面积1.6.2.1 共模远场辐射与频率的关系式〔10.9a〕共模辐射电场与频率F成正比,与频率F成20dB/Dec增加当数字信号的频谱〔辐射源〕与共模远端辐射的频率特性结合,我们得到图1-17的数字信号的共模辐射特性图1-17 远场共模辐射与频谱的关系从上面的频谱可以看到,只要将时钟上升沿Tr加大,就可使远场辐射更快地进入-40dB/Dec下降,对于无论是差模辐射还是共模辐射,效果是非常明显的在3G平台项目MNIC单板中,在通过SI分析计算后将总线读写之类的时序设计的余量加大,然后就可以将时钟进行一些处理使得时钟变得缓。