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：
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。
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：
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。
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。
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
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：
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。
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：
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。
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。
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
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