采用电磁场仿真和测量技术快速定位电源/地阻抗存在的问题

2012-08-30 09:54:14来源: 21ic

电源与地之间的输入阻抗是衡量电源供电系统特性的一个重要的指标,影响电源供电系统特性的因素有:PCB的分层、电路板的布线、电源/地平面的形状、元器件的布局、过孔和引脚的分布、IC的工作频率等等因素。为了降低电源与地之间的阻抗,应遵循以下一些设计准则: 1. 降低电源和地板层之间的间距; 2. 增大平板的尺寸; 3. 提高填充介质的介电常数; 4. 采用多对电源和地层。对于设计工程师来说,测量电源与地之间阻抗的一个重要应用就是:优化板上去耦电容的放置。

去耦电容的主要作用是抑制电路板本身特有的谐振以减少噪声,同时,由于EMI或噪声分布通常与整个电路板上各个区域电源/地阻抗的分布有着密切的关系,控制电源与地之间的阻抗,是降低电路板的辐射以控制EMI问题的重要举措之一。这里面包含两方面的课题:1. 如何确定去耦电容的位置;2. 如何确定去耦电容的具体数值。

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图1 电源/地平面的模型结构

传统的电源/地阻抗测量方法之一就是利用矢量分析仪来判断电路板布局布线中存在的电源/地阻抗问题。这种方法存在的主要问题是:电路板必须设计制造出来并安装好元器件,一旦发现诸如EMI或噪声超标之类的系统设计问题,返工重新设计电路板的可能性就比较大。此外,利用该方法测量电源/地阻抗花费的时间较长、去耦电容的定位精度不够、需要反复试验才能最终优化去耦电容的布局。

另一方面,建立在经验基础上的去耦电容设计规则,一般要求:

*电源输入端跨接一个10~100mF的电解电容器;

*为每个集成电路芯片配置一个0.01mF的陶瓷电容器;

经验规则存在的重要问题之一是有可能过多地添加去耦电容。

出于缩短上市时间和降低成本的考虑,系统制造商需要更为快速的方法,来观测电路板系统上存在较大的电源/地阻抗的区域,并精确地优化去耦电容的布局和设置,为此,本文着重介绍电磁场仿真和测量工具在定位较大电源/地阻抗点中的应用及其发展趋势。

仿真工具:“零成本”定位电源/地阻抗设计问题

在许多文献中,采用有效电感来模拟电源和地平面的电特性。在低频时的有效电感模型(图1a)并没有考虑在电源和地平面中波的传播和谐振,因此,它不适合于模拟高速封装结构,模拟的结果也不精确。线天线模型(图1b)是电源和地平面结构的另一种近似。该方法能够处理波的传播和通孔的相互作用,但是对于复杂的结构需要很长的计算时间,此外,要将这个频域技术与时域电路仿真器直接连接起来也不方便。许多公司在电路仿真器中采用流行的2D电容/电感网格模型来模拟电源和地平面(图1c)。采用这种方法,导电平面被分为小的单元,每个单元由单元中的电容和电感来模拟。这种方法的主要优点是它适合于瞬态SPICE类型电路的仿真。

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关键字:电磁场仿真  快速定位  阻抗存在

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0830/article_5802.html
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