PCB電(diàn)源层谐振何时发生？

2022-04-19

PCB電(diàn)源层谐振何时发生？

到目前為(wèi)止，设计人员应该意识到向PCB中的组件（尤其是数字组件）供電(diàn)时涉及的一些重要行為(wèi)。所有(yǒu)数字组件都会产生和处理(lǐ)宽带信号，其中频率内容理(lǐ)论上可(kě)以扩展到无限频率。因此，一些辐射可(kě)能(néng)会通过您的PCB传播，从而导致在電(diàn)源轨上未观察到的谐振行為(wèi)。

这种行為(wèi)更好地称為(wèi)電(diàn)源平面谐振。每当電(diàn)源/接地平面对被電(diàn)流脉冲激发时，该脉冲就会发射一些電(diàn)磁辐射，并且该辐射可(kě)以激发特定频率的结构共振。哪些频率会激发强共振取决于分(fēn)离平面对的层的電(diàn)介质厚度，以及PCB的整體(tǐ)腔尺寸。要了解為(wèi)什么这很(hěn)重要，您只需查看PDN阻抗谱。

電(diàn)源平面何时共振？

PDN中最重要的元素是電(diàn)源和接地平面对。所有(yǒu)電(diàn)源/接地平面对都将具有(yǒu)一组可(kě)由電(diàn)磁辐射激发的谐振。每当電(diàn)源被拉入PDN时，就会出现这种辐射。请记住，PDN中的平面对就像一个大電(diàn)容器。当用(yòng)電(diàn)流脉冲（来自数字信号）或谐波（来自模拟信号）激发时，電(diàn)源层和接地层之间会产生電(diàn)磁干扰。这种干扰可(kě)以开始在平面之间传播，就像一个大的激发槽天線(xiàn)一样。随着電(diàn)磁波在PDN中传播，当不同的波前相互干扰时，它们可(kě)以建立共振和反共振。

这些共振发生在特定频率，有(yǒu)时称為(wèi)共振频率或特征频率。所涉及的各种频率可(kě)以通过将平面对视為(wèi)一个开放的空腔，更好地称為(wèi)波导来计算。在某些频率下，在平面对波导中传播的電(diàn)磁波会发生共振，从而在PDN阻抗谱中产生波峰和波谷。

计算平面谐振频率

不幸的是，您无法轻松准确地计算PDN中的谐振频率，您需要使用(yòng)電(diàn)磁场求解器来计算。这是因為(wèi)PDN可(kě)能(néng)具有(yǒu)复杂的结构，在设计周围放置了多(duō)个过孔和导體(tǐ)。平面區(qū)域也可(kě)能(néng)有(yǒu)一个非常奇怪的形状，用(yòng)手不容易解决。

幸运的是，您不必自己求解麦克斯韦方程或其对应的波动方程；腔或波导中波动方程的一般解是众所周知的，可(kě)用(yòng)于估计一组可(kě)能(néng)的谐振频率。对于我们上面的安排，我们将有(yǒu)以下平面对波导的特征频率公式：

计算電(diàn)源/接地平面对谐振的方程。

从理(lǐ)论上讲，存在无限可(kě)能(néng)的频率集，这些频率由整数集（i、j、k）索引。根据这个公式，我们可(kě)以使用(yòng)一些估计来生成一组定义波导谐振频率的表格。為(wèi)此，我们通常将k = 0视為(wèi)高度方向。

為(wèi)什么要担心k = 0？这是因為(wèi)，对于(0, 0, 1)谐振，垂直方向对应的谐振频率為(wèi)数百GHz。例如，对于Dk = 4的8 mil厚電(diàn)介质，最低阶垂直谐振 ( k = 1)為(wèi)375 GHz。横向共振占主导地位，因為(wèi)这些共振可(kě)以出现在1 GHz附近。这就是為(wèi)什么具有(yǒu)强高频噪声发射的PDN 可(kě)以从電(diàn)路板边缘强烈发射的原因之一；当波向電(diàn)路板边缘传播时，由于電(diàn)源/接地平面对结构中的共振激发，它们会发出强烈的辐射。

示例PDN阻抗谱

当我们查看测量的PDN阻抗谱时，可(kě)以清楚地识别GHz范围内的谐振和反谐振。一组示例阻抗谱显示了由于電(diàn)源/接地平面对布置引起的结构谐振，如下所示。这些共振显示為(wèi)具有(yǒu)各种電(diàn)介质厚度的平面对。

具有(yǒu)功率平面谐振的示例PDN阻抗谱在~700 MHz附近清晰可(kě)见。

上图显示了结构谐振和整體(tǐ)阻抗曲線(xiàn)如何受電(diàn)介质厚度的影响。随着電(diàn)介质变薄，我们预计平面電(diàn)容会增加，因此整體(tǐ)阻抗曲線(xiàn)下降，阻抗最小(xiǎo)值（约100 MHz）移至较低频率。然而，我们看到结构共振实际上没有(yǒu)改变。这是我们的提示，正如我们所期望的，上述共振都是k = 0共振。

但是，為(wèi)什么共振峰更小(xiǎo)？这是因為(wèi)随着厚度的减小(xiǎo)，平面对腔中的损耗增加，这会抑制行波并降低共振期间的電(diàn)磁场强度。这应该说明高介電(diàn)常数层压板的好处。在PDN工程应用(yòng)中使用(yòng)时，您需要尽可(kě)能(néng)高的Dk值以达到低阻抗并抑制谐振。

模拟電(diàn)源层谐振

如果您想尝试模拟電(diàn)源平面谐振，那么您无法通过SPICE模拟实际做到这一点，除非您编写一个特定的模型来解释電(diàn)磁波的传播和反射。基本上需要将所有(yǒu)重要的场求解器结果写入 SPICE子電(diàn)路，并将其附加到PDN“组件”。除非您是SPICE专家，否则您在这方面不走运。

2001年有(yǒu)一篇有(yǒu)趣的IEEE论文(wén)為(wèi)集总元件電(diàn)路提供了SPICE模型，就像您在SPICE中模拟传输線(xiàn)所做的那样。该模型基本上将RLC元素集中到具有(yǒu)自身谐振和耦合的“单元”中，从而在生成的PDN阻抗谱中创建大量可(kě)能(néng)的谐振。这种类型的集总元件模型和本文(wén)的链接可(kě)以在下面找到。

可(kě)用(yòng)于模拟PDN阻抗谱中的平面谐振的示例集总元件電(diàn)路布置。

这些集总元件模型不能(néng)准确捕捉波传播的真实性质，本质上将PDN建模為(wèi)3D中的一大组传输線(xiàn)。这样做的重点是试图解释传播和反射，这将在特定频率产生平面对共振。如果将该系统简单地准备為(wèi)基本的RLC電(diàn)路，则结果将显示网络传递函数中的极点数量非常多(duō)SPICE 结果实际上会显示网络在极点频率处发生共振。