埋容的PCB设计与PI仿真-2

2.3埋容设计仿真案例
     下面介绍一个埋容的PCB设计仿真的案例：主芯片是一个专有芯片，带来的特点就是模型和资料没有大厂芯片（如Intel，Broadcom等）那么完善，既没有直接完整可用的Ibis模型，也没有明确提示板级电源供电网络（PDN）设计所需要考虑的频率范围。这样就给后续的设计和仿真评估带来很大的困难。原始设计如图六所示，十层板，5、6层之间电源地耦合，形成平板间电容。
 

                      图六 原始设计
2.3.1 板间电容计算
    首先估算一下平板间的电容量，平板面积如图六所示，这时候忽略打孔对平面面积的影响。把这个面积代入图一的公式，普通材料介电常数4.2，层间距离4mil左右，这时候平板间电容量为0.409nF。如果使用3M的C ply材料，介电常数为16，层间距离为0.56mil，这时候平板间电容量为11.13nF。以上计算可知，专用埋容材料增加平板间电容量的效果是很明显的。
    但是如之前说的，这个计算是忽略打孔对平面面积的影响，实际情况比较复杂，单纯用这个数据来指导埋容设计是不全面的。
2.3.2 板间电容作用仿真
一、 不加电容，看埋容平面大小对谐振频率的影响，仿真3种不同的平面大小。
  

            图七 埋容平面大小对谐振频率的影响
    仿真结果如图，粉红色的是埋容面积最小的，蓝色的是埋容面积稍大的，红色的是埋容面积最大的。可以看出埋容面积变大之后，平面谐振向低频偏移，同时也可以看到高频的共振点也降低了。

二、 看平面谐振点的变化，同时考量低频段（<100M），有埋容和没有埋容的区别
  A 电源地间距28.31mil，电源地不耦合时，波形为红色
  B 电源地间距4.2mil，电源地耦合时，波形为绿色
  C 使用埋容材料3M_C Ply，间距0.56mil，波形为蓝色
    从仿真结果可以看到，随着电源地之间的间距减小，加入埋容材料，平面谐振点向低频偏移，同时低频的阻抗也大幅降低，这个频段埋容材料的作用也非常明显。
 

        图八 平面谐振点
三、只加0.1u的电容12个，观察电容与埋容形成的谐振，同时观察埋容之后，减小了安装电感对电容性能的影响，考察同样数量电容，阻抗曲线带来的改善，考察同样的阻抗性能，可以减少多少电容……
       下图中蓝色的是使用了埋容材料后的阻抗曲线，红色的是没有使用埋容材料的阻抗曲线。可以看到埋容的谐振点在266M，与0.1u电容形成的反谐振在177M。同时注意到在10M附近有两个谐振点，这是因为0.1u的电容有6个在芯片附近，而有10个在VRM端，距离芯片较远，说明电容布局位置也有影响。

     图九 电容与埋容形成的谐
2.3.3 PDN综合仿真
       目前的埋容仿真项目总结，正常设计全系列电容，同样考察电容与埋容形成的谐振，主要考量以下几个目标：
    ●  FR4板材使用正常的电容组合达到的效果
    ●  使用埋容后效果怎么样
    ●  电容可以减少到多少使与FR4的效果是一样的
以1V5为例
     ●  0201的10n电容9个
     ●  0201的100n电容13个
     ●  0402的1u电容5个
     ●  0402的10n电容8个
     ●  0402的100n电容9个
     ●  0805的47u电容1个

      下图中红色的曲线是使用普通板材FR4的阻抗曲线，而蓝色的曲线是使用3M-Cply埋容材料后的阻抗曲线
 

                  图十 使用埋容，没有删除电容的PDN曲线
    可以看到埋容对PDN从低频开始到高频都产生效果，这时候去除70%电容，如下表所示： 

     可以看出其中红色是使用了3M-Cply埋容材料并且去掉31个电容后的阻抗曲线。蓝色的是使用普通FR4的阻抗曲线。也就是去掉31个电容后使用埋容材料的阻抗曲线，在高频段比使用FR4的阻抗曲线好，在低频段稍高一点，也能满足目标阻抗的要求，不过在100多兆有一个共振点。
 

      图十一使用埋容，删除70%电容的PDN曲线
      也就是说，埋容的PCB设计不是加入埋容材料就万事大吉（欠设计），也不是即用了埋容，同时原来该怎么放电容还怎么放电容（过设计），一个完善准确的PDN仿真有助于准确达到设计要求。