埋容的PCB设计与PI仿真-1

来源:一博科技 时间:2013-10-22 类别:PCB设计文章

    摘要:本文介绍了埋容设计和仿真的方法,主要是通过电源供电网络(PDN)的阻抗分析,来确定滤波电容的设计方案,目标是通过使用埋容,能减少板子上大约70%的分立电容。同时由于反谐振点的存在,我们通过同步开关噪声(SSN)仿真分析,来排除反谐振点对电源噪声的影响。最后通过实际电源纹波和噪声测试,来验证和优化埋容的设计和仿真。
关键词:电源供电网络(PDN),同步开关噪声(SSN),埋容

1. 引 言
    低电压大电流成为当今电源设计的趋势,电源供电网络(PDN)的性能越来越被设计工程师重视。而随着消费类电子产品功能的提升,在有限的板子面积上需要放置的器件也越来越多,留给电容的空间也越来越少。在这种形势下,埋容设计就是有效的提升PDN设计的手段之一。埋电容是利用具有较高电容密度的材料,同时减少层间的距离,来形成一个足够大的平板间电容,作为电源供电系统的一部分,实现去耦和滤波作用,从而减少板子上所需的分立电容,并且能达到更好的高频滤波特性。埋容由于其寄生电感非常小,能有效减少分立电容的安装电感,从而对低频也有非常明显的改善效应。
    ● 埋容带来的其他好处还有:
    ● 通过减少电容数量,来降低贴片焊接的难度
    ● 提升产品可靠性,避免小尺寸的分立器件带来的可靠性问题
    ● 减小单板面积,实现轻薄短小
2. 技术方案和实现方法
    由于工艺和技术的成熟,以及高速设计对于电源供电系统的需要,埋容的技术应用越来越多,使用埋容技术,我们首先得计算平板电容的大小,公式如下:
   

  

C =(A*D_k*K)/H
图一 平板电容计算公式

其中:
     ● C是埋容(平板电容)的电容量
     ● A是平板的面积,大部分设计在结构确定的情况下,平板间面积很难增大
     ● D_k是平板间介质的介电常数,平板间电容量和介电常数成正比
     ● K是真空介电常数(Vacuum permittivity),又称真空电容率,是一个物理常数,值为8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m);
     ●  H是平面之间的厚度,平板间电容量和厚度成反比,所以我们想要得到较大的电容量,需要减小层间厚度,3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的层间介质厚度,加上16的介电常数,大大增加了平板间电容量。
     经过计算,3M的C-ply埋容材料,在每平方英寸的面积上,能实现6.42nF的平板间电容量。
     一个良好的层叠,正常情况下已经考虑了平板间电容,所谓埋容设计只是采用特殊的材料来加大这个平板间电容。对于PCB设计来说,只需要在正常层叠之外,把使用的特殊材料标注出来,如图二所示,是一个使用ZBC材料来进行埋容设计的例子。

 


                                                    图二 埋容设计案例

2.1埋容材料选择
     常见的埋容材料提供商有美国3M公司,日本OAK,Neclo也提供ZBC系列的埋容材料,不过由于在介质厚度和介电常数上都没有明显优势,更多会在大型通信板子上采用,来提升电源地之间的耦合。消费类产品会更多采用3M和OAK的材料,埋容的效果更好。下面是各家材料的一些参数:


 3M C-Ply


  OAK BC系列

                                              
                                                      Nelco ZBC系列
                                                图三 常见埋容材料参数

     注:选择埋容材料的时候,还需要关心价格,可加工性等因素,尤其是3M和OAK的材料,介质厚度比较薄,加工的时候需要两面单独蚀刻,复杂的加工工序会带来难度和成本的增加。
2.2埋容与PDN仿真
     埋容的PCB设计绝不仅仅只是把加工的要求传递给板厂,还需要使用PI仿真工具进行PDN目标阻抗的仿真,从而确定单板的电容设计方案,避免埋容和分立电容的冗余设计。图四是一个埋容的PCB设计的PI仿真结果,只考虑板间电容的效果,没有加入分立电容的效应。能看到只是增加埋容,整个电源阻抗曲线性能得到很大提升,尤其是500MHZ以上,是板级分立滤波电容很难起作用的频段,平板电容能有效降低电源平面阻抗。


                                                       图四 埋容对于PI的效果

     也就是说,埋容作为PDN的一部分,能起到相当的作用,但是绝对不是全部。如图五所示,埋容的平板间电容和必要的Bulk电容,Bypass电容一起综合作用,构成了板级PDN元素。再和VRM,Package内电容,Die内电容等一起组成完整的PDN系统,完成电源供电。


                                            图五 PDN以及频率范围


所以,针对埋容的PCB设计所进行的仿真,需要解决以下问题:
   ●  单纯只按照所需电容量进行设计是不够的:平板间电容量计算,这是很多人第一步关心的事情,按照公式计算看起来没什么难度,但是平板间面积由于打孔以及不规则平面等因素变得比较复杂
   ●  根据实际的平板情况(考虑了打孔以及不规则平面等因素)进行仿真,得到平板间的阻抗曲线
   ●  加上VRM、Bulk电容、Bypass 电容、平板间电容一起得到板级综合的PDN阻抗曲线
   ●  根据PDN目标阻抗曲线,估算时域电源噪声
 



埋容的PCB设计系列文章:

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