孟晶 俞能杰
摘 要： 谐振是电源完整性一大问题，PCB电源平面间谐振振幅过大，会导致电源分配系统（PDS）工作异常，甚至成为EMI辐射源，故在PCB详细设计阶段需开展谐振仿真分析并消除谐振，从而提高设计成功率。为消除谐振，首先利用SIWAVE软件对电源地平面间谐振情况进行仿真分析，找出谐振点，然后合理选用布局去耦电容，消除400 MHz以下频段谐振影响。通过调整PCB叠层及层间距消除400 MHz以上频段谐振影响。通过实例仿真分析，依据工程经验，实现了快速估算去耦电容的计算方法，并证明了其正确性。
关键词： 电源完整性； 谐振； SIWAVE仿真分析； 去耦电容
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0144?03
Abstract： Resonance is a major problem of power integrity. If the resonance amplitude between PCB power planes is too large， it may cause PDS work abnormal， even cause the power planes to become EMI emitter， so in the detailed PCB design stage， simulation analysis of resonance and eliminating resonance are needed for improving the success rate of the design. To eliminate resonance， first， the SIWAVE is used to simulate and analyze the resonance between the power planes to find the resonance point， and then the decoupling capacitor is selected and layouted reasonably， so as to eliminate the influence caused by the resonance below 400 MHz frequency， and eliminate the influence caused by the resonance above 400 MHz frequency by adjusting the PCB overlayers and the space between overlayers. Based on engineering experience， a rapid calculation method to estimate the value of the decoupling capacitors was achieved. Its correctness was proved with simulation analysis on example.
Keywords： power integrity； resonance； SIWAVE simulating and analysis； decoupling capacitor
0 引 言
随着微电子技术的不断发展，更多功能的模拟和数字电路被制作或集成到单个芯片中[1]。当大量高速开关器件同时快速切换状态时，就会产生电源噪声，干扰周围的高速信号，并且由于噪声容限变小，严重时，可引发芯片的误动作，造成不利影响。因此对电源完整性的研究显得越来越重要[2?3]。
作为电源完整性的一大问题，谐振是指能量被夹在两个平行板（power and ground plane）之间，因原始信号与其反射信号同相（phase add）而形成共振腔效应。在中低频时，电源地平面对可当作一个理想电容来看待，其ESR和ESL都很小，在频率达到某一个高频段时，电源地平面间变成了一个谐振腔，等效为RLC串并联电路，在谐振频率点附近，平面对地阻抗变得很大，从而引发电源完整性问题[4]。
1 谐振带来的问题
若谐振落在了设计关注的频段内，带来的问题，需要从三方面来分析：一方面谐振过大，在谐振点处电源波动过大，稳压电源芯片VRM无法实时响应负载对于电流需求的快速变化，会出现电源跌落，从而产生电源噪声[5]；第二方面在谐振点处，电源表现的高阻抗，使的部分噪声和信号能量无法在电源分配系统（PDS）中找到回流路径，最终会从PCB板辐射出去，造成EMI问题[6]；最后一个方面，若谐振点与板上器件工作频率相同，将引起共振。无论哪种情况发生，都将导致板卡性能下降，甚至设计失败，从而延长设计周期和增加设计成本。因而，为了将问题控制在设计初期，需要在进行PCB设计时开展谐振仿真分析，及时发现存在问题，通过计算，并利用仿真工具优化设计。
2 消除谐振的方法
当前，电源完整性谐振问题主要通过两个途径解决，即安装去耦电容和优化PCB的叠层设计及布局布线。在高速系统工作速率低于400 MHz时，在恰当位置安装合适的去耦电容，有助于减小电源完整性问题；当系统速率更高时，去耦电容作用减小。这时，只有通过优化PCB层间距设计及布局布线，降低电源电压，以及适当匹配，降低反射等办法解决电源完整性问题[7]。之所以是400 MHz，是由于受限于去耦电容能力，众所周知，理想电容实际上是不存在的（在极低频情况下，才将电容看作理想电容），实际电容总会存在一些寄生参数，在高频情况下，其ESL、ESR参数将极其重要。一个电容器可用一个等效串联电路来表示[8]，如图 1所示。
4 结 语
谐振问题是电源完整性的一大问题，在高速PCB设计中需在设计初期对其进行控制。不同频段的谐振有不同的处理方法。针对400 MHz以下频段，通过合理选用布局去耦电容，达到消除谐振的目的；而针对400 MHz以上频段，通过调整PCB叠层及层间距可达到同样目的。本文依据工程经验，实现了快速估算去耦电容的计算方法，并通过实例仿真分析，证明了其正确性。
参考文献
[1] SRIDHARAN V， SWAMINATHAN M， BANDYOPADHYAY T. Enhancing signal and power integrity using double sided silicon interposer [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2011， 21（11）： 598?600.
[2] 闫静纯，李涛，苏浩航.高速高密度PCB电源完整性分析[J].电子器件，2012（3）：296?299.
[3] 周子琛，申振宁.高速嵌入式系统中的电源完整性设计方法[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（3）：19?21.
[4] 申伟，唐万明，王杨.高速PCB电源完整性分析[J].现代电子技术，2009，32（12）：213?218.
[5] SWAMINATHAN M， KIM J， NOVAK I， et a1. Power distribution networks for system on package：status and challenges [J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging， 2004， 27（2）： 286?300.
[6] 吴听，钱照明，庞敏熙.开关电源印刷电路板电磁兼容问题的研究[J].电子与信息学报，2001，23（2）：181?186.
[7] 白同云.高速PCB电源完整性研究[J].中国电子科学研究院学报，2006（1）：22?31.
[8] 包兴，胡明.电子器件导论[M].北京：北京理工大学出版社，2001.
[9] 李学平，李玉山.基于Ansofl仿真分析的SSN解决方案探讨[J].微型机与应用，2011，30（4）：68?70.
[10] WU Tzong?Lin， CHUANG Hao?Hsiang， WANG Ting?Kuang. Overview of power integrity solutions on package and PCB： decoupling and EBG isolation [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010， 52（2）： 346?356.
参考文献
[1] SRIDHARAN V， SWAMINATHAN M， BANDYOPADHYAY T. Enhancing signal and power integrity using double sided silicon interposer [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2011， 21（11）： 598?600.
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[10] WU Tzong?Lin， CHUANG Hao?Hsiang， WANG Ting?Kuang. Overview of power integrity solutions on package and PCB： decoupling and EBG isolation [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2010， 52（2）： 346?356.
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