基于Ansoft仿真分析的SSN解決方案探討
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
掃碼關(guān)注
獲取最新最全汽車電子
技術(shù)方案與實(shí)用技巧
在設(shè)計(jì)中，最快信號(hào)跳變時(shí)間為0.17 ns，所以整體設(shè)計(jì)的截止頻率為3 GHz。為了達(dá)到此帶寬，通常需要在MHz信號(hào)區(qū)域放置很多高頻瓷片電容(nF)，在kHz信號(hào)區(qū)域放置體積較大的電解電容(?滋F)。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)書(shū)可知U17芯片的上升時(shí)間約為1 ns，所以它的工作截止頻率約為500 MHz。因此要求在500 MHz頻率范圍內(nèi)，U17芯片附近電源/地阻抗低于0.825 Ω。
使用SIwave可以在IC（U17）芯片電源/地處放置一個(gè)端口，計(jì)算電路板在適當(dāng)帶寬內(nèi)的輸入阻抗。仿真顯示了電路板本身電容的影響而忽略了經(jīng)過(guò)電源的低感應(yīng)電流回路，由仿真結(jié)果可知，阻抗隨著頻率的減少而增加，但由于經(jīng)過(guò)電源的回路存在低阻抗，因此這種關(guān)系并不嚴(yán)格。
為了使阻抗在1 MHz處低于目標(biāo)阻抗0.825 Ω，電容值至少為0.18 μF，為此首先需要增加6個(gè)30 nF的電容矩陣（ESL=0.5 nH，ELR=0.05 Ω），此時(shí)的仿真Z參數(shù)如圖5所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/179002.htm
繼續(xù)做諧振仿真，板子在f=0.257 GHz處發(fā)生諧振，再添加4個(gè)10 nF的電容矩陣(ESL=0.3 nH，ELR=0.03 Ω)，此時(shí)的仿真參數(shù)如圖6所示。
由圖6可知，第一個(gè)尖峰值從圖5中的180 MHz變到了圖6中的400 MHz，然后在U17周圍添加4個(gè)去耦電容，分別為0.3 nF、1 nF、3 nF、10 nF的電容矩陣（ESL=0.1 nH，ELR=0.01 Ω），為了使仿真與實(shí)際情況相符，還在板子最上端添加一個(gè)0.1 Ω的VRM等效電阻，此時(shí)的仿真Z參數(shù)如圖7所示。由圖7可知，添加去耦電容后，電源/地之間的阻抗變得非常小，在500 MHz頻率內(nèi)，基本低于0.825 Ω。由于容值更小的電容具有更小的ESL和ESR值，因此增加旁路電容的數(shù)量有助于提高其高頻特性。
2 采用EBG(高阻抗電磁表面結(jié)構(gòu))抑制SSN
EBG結(jié)構(gòu)是具有帶阻特性的周期性結(jié)構(gòu)，可以采用金屬、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入基質(zhì)材料，或者由各種合適材料周期性排列而成。采用EBG結(jié)構(gòu)作為PCB襯底時(shí)，跨越幾個(gè)EBG周期單元的電路元件將能實(shí)現(xiàn)濾波。利用EBG結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在微帶電路襯底中集成具有很寬阻帶的濾波器，當(dāng)和其他電路元件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)時(shí)，可節(jié)省電路空間。
采用EBG結(jié)構(gòu)抑制SSN時(shí)，特別在高頻時(shí)，效果比單純加去耦電容好許多。因?yàn)轭l率的升高要求加入的去耦電容的數(shù)量隨之變多，從而引起其他的一些效應(yīng)。而采用EBG結(jié)構(gòu)＋去耦電容的方式則可以更有效地在更高頻率范圍上提供一個(gè)較大的禁帶寬度，在最高頻率下能盡量滿足PDS的最小阻抗要求，從而減小SSN。
本文將對(duì)此單純加去耦電容的PDS設(shè)計(jì)和采用8×8方形EBG結(jié)構(gòu)加去耦電容PDS設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。第一組數(shù)據(jù)是兩個(gè)80 mm×80 mm的平面電路板之間分別加入6×6電容矩陣和9×9電容矩陣，電容為10 nF，忽略其ESL和ESR。分別測(cè)試其Z參數(shù)。
結(jié)果表明6×6電容矩陣在頻率為2 GHz以下其特性阻抗低于7 Ω，9×9電容矩陣在頻率為3.7 GHz以下保持其特性阻抗低于7 Ω。
第二組數(shù)據(jù)采用前面分析8×8 EBG結(jié)構(gòu)＋6×6去耦電容矩陣和8×8改進(jìn)EBG結(jié)構(gòu)＋6×6去耦電容矩陣兩種結(jié)構(gòu)，并仿真得出結(jié)果。
結(jié)果顯示8×8 EBG＋6×6去耦電容矩陣結(jié)構(gòu)可以使特性阻抗在頻率為3.4 GHz以下都保持低于7 Ω，而8×8改進(jìn)EBG＋6×6去耦電容矩陣結(jié)構(gòu)則可以使特性阻抗在頻率為4.2 GHz以下都保持低于7 Ω，結(jié)果表明采用EBG結(jié)構(gòu)的PDS設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)單純加去耦電容更具有優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1] CHEN Guang, KATHLEEN M, JOHN P.The applications of EBG structures in power/ground plane pair SSN suppression[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2004,15(3).
[2] HOWARD J, MARTIN G.High-speed digital design[M]. Prentice Hall PTR, 1993.
[3] BOGATIN E.Signal integrity-simplified[M].Prentice Hall PTR, 2003.
[4] PART M D,PANT P,WILLS D S.On-chip decoupling capacitor optimization using architectural level prediction[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems, 2002(2):319-326.
[5] KOZHAYA J N,NASSIF S R,NAJM F N.A multigrid-like technique for power grid analysis[J].IEEE Trans. on CAD of integrated circuits and systems, 2002,21(10):1148-1160.
評(píng)論