SSN指开关状态下设备产生的电流瞬时变化(di/dt),回流路径上存在的电感形成交流压降,引起噪声,也称为△i噪声。 如果由封装电感引起的地平面波动导致芯片地面与系统地面不一致,则为地弹。同样,如果芯片与系统电源之间的差异是由封装电感引起的,则为电源反弹。 因此,综上所述,同步开关噪声并不完全是电源问题。它对电源完整性的主要影响是地面/电源反弹。
SSN主要伴随着设备的同步开关输出(SSO)开关速度越快,瞬时电流变化越明显,电流电路上的电感越大,SSN越严重: 其中,I:单开关输出电流;N:同时,开关的驱动数量; Lloop:电感在整个回流路径上。
1.芯片内部开关噪声(on-chip) 如下图所示,当Driver4开关产生的噪声是芯片内部开关的噪声(此时)Driver一是接收端),;而当Driver1当作为开关输出时,会产生芯片外部开关的噪声,(信号跳变为1->0) Lp和Lg寄生电感为封装中的电源和地面; Ls系统电源的电感;
分析: 假设L封装电源和地面的总电感,Lp和Lg因此: L=Lp Lg-2Mpg Mpg:为Lp和Lg耦合电感 此时芯片的实际电压为:
因此,通常采取以下措施来解决这种情况: (1)降低芯片内部驱动器的开关速率和同时开关的数量; (2)降低系统供电的电感,在高速电路设计中使用单独的电源层,保持良好的电源和地面耦合; (3)减少芯片包装中的电源和地引脚的电感(增加电源和地引脚的数量;尽可能短的布线和铺铜); (4)增加电源和地面的相互耦合电感也可以减少总电路电感,因此在高速设计中,电源和地面的引脚应成对分布,并尽可能靠近; (5)在芯片包装中使用旁路电容,使高频电流的电路电感非常小,从而减少SSN (6)为系统电源增加旁路电容(为高频瞬变交流信号提供低电感旁路,低速信号仍采用系统电源电路),如下图所示: 2、芯片外部开关噪声(off-chip) 。有两种情况:
封装电感引起的压降可计算为:
此时,芯片的土地存在Vgb电压波动,这就是地弹;同样0->在开关状态下,封装电感会对电源造成一定的压降,即所谓的电源反弹。
针对于off-chip可通过以下措施解决噪声: (1)降低芯片内部驱动器的开关速率和数量; (2)减少封装电路电感,增加信号、电源和地面的耦合电感; (3)在包装中使用旁路电容,使电源和地面共享电流电路,减少等效电感。
3.等效电感测量SSN 通过以上分析, 实际上是一个给定的电路(di/dt不变的情况),减少SSN是为了减少信号电路的等效电感(Leff)。
SSN绝大多数的产生都是由于芯片包装的问题,但判断高频包装优缺点的最高方法是通过模拟来测试信号电路的等效电感,Leff越大,那么SSN也就越大。
通过以上分析,无论是降低电源平面阻抗还是降低电源平面阻抗SSN,旁路电容器起着重要的作用,电源完整性设计的重点是如何合理选择和放置这些电容器。
要了解电容在高速电路中的重要作用,首先要了解电容的本质。 1.电容器的频率特性: 从下图可以看出,实际电容还包含: 寄生串联电阻Rs(ESR),串联电感Ls(ESL),泄露电阻Rp,介质吸收电容Cda,介质吸收电阻Rda。
泄露电阻Rp也叫绝缘电阻,值越大,泄漏的直流电流越小,性能越好,一般电容Rp都很大,一般不需要考虑; 介质吸收等效RC电路反映了电容介质本身的特性,是一种滞后的内部电荷分布,使电容器恢复部分电荷,因此介质吸收过多的电容器不能用于采样和维护电路; ,等效阻抗和串联谐振频率为: 。
2、电容包装及介质: 实际电容的特性主要受封装结构和介质材料的影响。 从封装的角度来看,主要是直插式和表贴式(表贴式寄生电感比直插式小很多,所以表贴式用于高频电路); 介质材料分为陶瓷、云母、纸质、薄膜、电解等。
陶瓷电容器常用的介质有:Z5U(2E6)、X7R(2X1)、NPO(C0G) :介电系数高,成本低,常用于标称容量高的大容量电容器;但温度特性差,常用于10-85℃; :介电系数较Z5U低,但电气性能稳定,适用于隔离、耦合、旁路、滤波电路和可靠性要求高的场合; :电气定性和可靠性要求高的高频场合,电气特性最稳定,损耗低。
电容并联及反谐振: 不同容值的电容并联情况下,会因为每个电容的谐振频率不同导致工作频率处于两个(多个)谐振频率之间时,一些电容表现为容性,一些表现为感性,这就形成了一个LC并联谐振电路; 而如何降低反谐振带来的影响,就是电源完整性设计中的重点。
4、电容在PCB的摆放 实际中高频的小电容对瞬间电流的反应最快,所以高速设计中的关键就是高频小电容的处理,尽可能摆放的距离芯片电源引脚接近,以达到最佳旁路效果。