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印刷电路板电源完整性及去耦电容优化

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电源完整性和信号完整性,在电路板设计中的重要程度不言而喻,本文简单介绍了电源完整性的仿真,在得到电源的阻抗曲线后,如何设置去耦电容,降低其在整个工作频段中的阻抗,从而达到降低EMI的目的。

首先,我们选择一块电路板。版图是公司的,所以这里涂黑了,大概知道是块板子就行了。

 我们选择一条5V的USB的走线,电源由右上角馈入,在左下角经过了4颗电容后到达USB接口。

 按照USB的标准,目前USB3.0的传输速度受硬盘影响,最高不超过1Gbps,因此我们关注的频率在100kHz—2GHz,这里将其设置为仿真频段,因为这根Net走线并不长,也没有蛇形的弯曲部分,所以预测其阻抗变化不是很大,为了给老板省成本,这里直选了3颗电容。首先得到仿真对象的spice模型。

D9_1和JUSB1_1分别为馈入和馈出,相应的D9_4和JUSB1_5为GND管脚。设置电源内阻为0.1Ω,接下来进行电路连接,3颗电容的位置先空着,查看这条Net的电源阻抗特性。

待仿真结束后,得到这段电源走线的阻抗参数图,如下。

可以看到,由于这根USB走线相对较短,且布线相对比较规范,其阻抗在2GHz范围内变化并不是很大,最大391Ω。电源信号在该频段内存在几处明显的谐振,为了降低EMI,需要加加去耦电容。目标希望其在整个频段的阻抗降低到10Ω以下 。

接下来,将3颗电容连接起来,分别为C1、C2、C3,初始容值均设置为1000pf,并串联3颗电阻,分别为R1、R2、R3。优化目标:100kHz—2GHz阻抗小于10Ω。

 

优化后得到的结果:

C1 = 3111.65 

C2 = 3122.21 

C3 = 3111.49 

R1 = 7.14841 

R2 = 16.6401

R3 = 40.4783

上图为1号端口的Z1_1曲线,绿色曲线为优化后的结果,红色为初始结果。用了3颗电容感觉还没达到预定目标,但是从波形的平整度来看,确实要比开始好很多。

上图为2号端口的Z2_2曲线,绿色为优化后的结果,基本上满足要求了,并且波形的平整度很不错。 
总结,layout板图在初始的设计过程就应该将电源完整性、信号完整性以及EMC问题考虑进去,这样会省去后续的大量的测试、整改及修改板图和工艺的时间及成本。

本文转载于电磁兼容(EMC)公众号,作者:小汤;转载需注明作者和出处,谢谢。

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