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直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題

2020-2-26 18:01:34??????點擊:
通過直流電源供電網絡(PDN)的阻抗分析,來確定濾波電容設計方案,目標是通過使用埋容,能減少板子上大約70%的分立電容。同時由于反諧振點的存在,我們通過同步開關噪聲(SSN)仿真分析,來排除反諧振點對直流電源噪聲的影響。最后通過實際直流電源紋波和噪聲測試 ,來驗證和優化埋容的設計和仿真。(文末有福利免費領)

1. 引 言
低電壓大電流成為當今直流電源設計的趨勢,直流電源供電網絡(PDN)的性能越來越被設計工程師重視。而隨著消費類電子 產品功能的提升,在有限的板子面積上需要放置的器件也越來越多,留給電容的空間也越來越少。在這種形勢下,埋容設計就是有效的提升PDN設計的手段之一。

埋電容是利用具有較高電容密度的材料,同時減少層間的距離,來形成一個足夠大的平板間電容,作為直流電源供電系統的一部分,實現去耦 和濾波作用,從而減少板子上所需的分立電容,并且能達到更好的高頻濾波特性。埋容由于其寄生電感非常小,能有效減少分立電容的安裝電感,從而對低頻也有非常明顯的改善效應。
埋容帶來的其他好處還有:
    ● 通過減少電容數量,來降低貼片 焊接 的難度
    ● 提升產品可靠性,避免小尺寸的分立器件帶來的可靠性問題
    ● 減小單板面積,實現輕薄短小

2. 技術方案和實現方法
由于工藝和技術的成熟,以及高速設計對于直流電源供電系統的需要,埋容的技術應用 越來越多,使用埋容技術,我們首先得計算平板電容的大小,公式如下:
直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題
C =(A*D_k*K)/H
圖一 平板電容計算公式
其中:
     ● C是埋容(平板電容)的電容量
     ● A是平板的面積,大部分設計在結構確定的情況下,平板間面積很難增大
     ● D_k是平板間介質的介電常數,平板間電容量和介電常數成正比
     ● K是真空介電常數 (Vacuum permitti vity),又稱真空電容率,是一個物理常數,值為8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m);
     ●  H是平面之間的厚度,平板間電容量和厚度成反比,所以我們想要得到較大的電容量,需要減小層間厚度,3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的層間介質厚度,加上16的介電常數,大大增加了平板間電容量。
     
經過計算,3M的C-ply埋容材料,在每平方英寸的面積上,能實現6.42nF的平板間電容量。
     
一個良好的層疊,正常情況下已經考慮了平板間電容,所謂埋容設計只是采用特殊的材料來加大這個平板間電容。對于PCB設計 來說,只需要在正常層疊之外,把使用的特殊材料標注出來,如圖二所示,是一個使用ZBC材料來進行埋容設計的例子。
直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題
   圖二 埋容設計案例

2.1埋容材料選擇
常見的埋容材料提供商有美國3M公司,日本OAK,Neclo也提供ZBC系列的埋容材料,不過由于在介質厚度和介電常數上都沒有明顯優勢,更多會在大型通信 板子上采用,來提升直流電源地之間的耦合。消費類產品會更多采用3M和OAK的材料,埋容的效果更好。下面是各家材料的一些參數:

直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題
3M C-Ply
 圖三 常見埋容材料參數

注:選擇埋容材料的時候,還需要關心價格,可加工性等因素,尤其是3M和OAK的材料,介質厚度比較薄,加工的時候需要兩面單獨蝕刻,復雜的加工工序會帶來難度和成本的增加。

2.2埋容與PDN仿真
埋容的PCB 設計絕不僅僅只是把加工的要求傳遞給板廠,還需要使用PI仿真工具進行PDN目標阻抗的仿真,從而確定單板的電容設計方案,避免埋容和分立電容的冗余設計。圖四是一個埋容的PCB設計的PI仿真結果,只考慮板間電容的效果,沒有加入分立電容的效應。能看到只是增加埋容,整個直流電源阻抗曲線性能得到很大提升,尤其是500MHZ以上,是板級分立濾波電容很難起作用的頻段,平板電容能有效降低直流電源平面阻抗。
直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題
圖四 埋容對于PI的效果

也就是說,埋容作為PDN的一部分,能起到相當的作用,但是絕對不是全部。如圖五所示,埋容的平板間電容和必要的Bulk電容,Bypass電容一起綜合作用,構成了板級PDN元素。再和VRM,Package內電容,Die內電容等一起組成完整的PDN系統,完成直流電源供電。
直流電源供電系統網絡的埋容設計和仿真問題
圖五 PDN以及頻率 范圍

所以,針對埋容的PCB設計所進行的仿真,需要解決以下問題:
   ●  單純只按照所需電容量進行設計是不夠的:平板間電容量計算,這是很多人第一步關心的事情,按照公式計算看起來沒什么難度,但是平板間面積由于打孔以及不規則平面等因素變得比較復雜
   ●  根據實際的平板情況(考慮了打孔以及不規則平面等因素)進行仿真,得到平板間的阻抗曲線
   ●  加上VRM、Bulk電容、Bypass 電容、平板間電容一起得到板級綜合的PDN阻抗曲線
   ●  根據PDN目標阻抗曲線,估算時域直流電源噪聲