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高速信号设计大功率直流电源层的研究基础知识

前语
     大多数layout工程师以及SI/硬件工程师都知道, 信号除了不能跨切割层布线之外,一般还不容许参阅大功率直流电源层布线的(当然,这儿指的高速高频信号),为什么不能参阅大功率直流电源层?终究会带来多大影响?如果叠层空间约束的状况下能够容许哪些信号参阅大功率直流电源?针对这些问题,本篇将结合ANSYS/Ansoft仿真软件进行理论及仿真办法介绍。
1参阅大功率直流电源层的回流途径
     首要,从信号回流途径的角度开端根本理论的回忆。一个简略四层PCB信号通过过孔换层参阅大功率直流电源,其信号的回流途径如图1 暗示:
高速信号设计大功率直流电源层的研究基础知识

图1 信号回流途径
    由上图可见,当高速信号在信号线上传达时,在信号电流向前传达的进程傍边,由于与参阅平面之间存在容性耦合,所以当发作dV/dt时,就会有电流经耦合电容流向参阅平面的现象,传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。如果信号的参阅为大功率直流电源平面,那么信号回流将首要流向大功率直流电源层,然后再通过大功率直流电源与地网络之间的Cpg流向地网络,终究再经地层流向源端电路,终究形成一个完好的电流回路。我们都知道,操控好高速信号的回路阻抗十分要害,由于它直接影响到信号传输特性。

     当信号参阅大功率直流电源层布线时,回流途径傍边对信号影响最大的就是Cpg大功率直流电源与地网络之间的容性通道。它可所以大功率直流电源地网络上散布杂乱的退耦电容,也可能包括大功率直流电源地层平面之间的平板电容,构成十分杂乱,在各个频点所体现的阻抗特性都不一样,难以量化与操控。所以不主张高速信号参阅大功率直流电源。

     那么终究有多大影响,下面通过仿真软件来帮忙我们看看详细信号传输差异的状况。

2 参阅大功率直流电源层的仿真剖析
2.1 基础研讨模型的树立
    有了以上理论了解之后,接下来通过仿真技术帮忙研讨,究竟参阅大功率直流电源层会跟信号传输带来怎样的影响?
     为了阐明问题,把模型简略化,这儿使用板级仿真东西SIwave的自行建模功用(也可通过地图东西画一个相似PCB走线再导入)树立一个简略的10X10四层PCB, 叠层散布为SIG/GND/PWR/SIG,第二层全部为地,第三层大功率直流电源平面为一小块不规则平面,如下图,并安置两根传输线,一根为表层走线,此事例中,它属于完全参阅地层平面的微带线,一根为表层走线通过孔究竟层走线的微带线,属于部分参阅地层又部分参阅大功率直流电源层的走线。即树立了我们需要研讨的参阅大功率直流电源的信号模型。如图2所示:
高速信号设计大功率直流电源层的研究基础知识

图2 简略的四层PCB模型
2.2 回流仿真剖析
   通过SIwave2014以上版别的AC CURRENTS 功用能够进行信号回流途径的仿真剖析,只需要在两条传输线两头别离增加相应频率的信号源和负载,即可仿真得到信号源传输时,各个平面层上的电流别离状况。如图3所示,显现为地层的电流散布,跟前面理论剖析定论十分一致。完全参阅地层的传输线,回流途径首要会集在走线正下方,而参阅大功率直流电源层的信号回流会经大功率直流电源地耦合到地层上,所以在大功率直流电源与地层重叠的当地散布,不同频点的回流散布也不尽相同,这势必会影响信号传送质量,一起也可能对外界电路形成搅扰。
高速信号设计大功率直流电源层的研究基础知识

图 3 信号回流散布图
2.3 频域S参数剖析
    通过对两条传输线树立端口,然后使用SIwave的HFSS 3D Layout(超高频段,还是HFSS精度更让人定心,而且3D layout在模型编辑快捷性及求解功率方面提高许多,不必再在HFSS里边纠结波端口/集总端口的树立)进行SYZ参数剖析之后调查两者之间的插入损耗S21的差异, 如图5
 HFSS 3d layout主动树立的三维模型
两条传输线的S21曲线

      通过调查S21 曲线,可知在1GHz以下两种走线的传输差异并不太大(这儿的频率是指单频点正余炫波,而非方波/时钟频率)。频率越高,S21 差异相对越大,尤其是在突点尖峰频率。为什么会有这些尖峰?实际上是来源于大功率直流电源地平面之间在尖峰频点的谐振,当回流流经这些谐振频点时,天然会有较大的能量损耗。通过SIwave的谐振剖析功用也可进一步验证这一观点,如下图6,SIwave剖析得到的谐振频点,尖峰频点根本都在其中。

 SIwave的谐振剖析成果

        实际上,调查频域曲线差异并不是很直观,由于它们比较的是单频点的传送差异,而一般我们传输的是宽频带的类方波信号,所以在时域进步行波形的对比验证才是最要害的,也是最直观的。下面通过designer软件导入两条传输线的S参数模型,然后别离施加相同的理想信号源以及50ohm的负载端接,进行时域上的眼图剖析,如图7树立仿真电路,调查不同传输频率状况下的差异
Designer树立的时域仿真电路

     完结仿真之后,调查10Gbps信号传输眼图 ,如图8,能够发现参阅大功率直流电源层的传输线,接纳眼图的眼睛打开程度现已变得更小,而且眼皮也更粗,颤动加大,如果增加信号源颤动,或信号线再长一些,再通过连接器或过孔或封装这些阻抗不接连互连结构,那么很有可能就会呈现信号完好性问题。随着频率的下降,两者传输信号的质量差异也在逐步减小,如下面5Gbps和1Gbps信号眼图。
      综上所述,信号参阅大功率直流电源层会跟信号质量带来影响,大功率直流电源地层之间的阻抗会是影响的首要因素,信号频率越高,带来的影响会越显着。当然也不是一切信号都不能参阅大功率直流电源,详细多少频率什么信号能够参阅大功率直流电源,要看实际layout以及PDN网络的实际状况,最好能使用仿真软件进行剖析验证。出于理论剖析便利,此篇树立的事例模型比较简略,仿真成果首要刁难比剖析之用,不行作为实际工程的断定参阅。

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