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去耦合会对电磁兼容产生什么影响

本文通过PDN阻抗、SSN和EMC之间的关系可以通过实际案例得到证实。

在考虑配电网(PDN)阻抗与同时开关噪声(SSN)和电磁兼容性(EMC)之间的关系时,了解去耦的影响非常重要。如果一个PCB的功率完整性或去耦特性较差,例如高PDN阻抗,SSN和EMC就会出现问题。本文将通过实际案例来确认PCB的PDN阻抗、SSN和EMC之间的关系。


分析和结果

测试的原型是以下两个版本:FPGA,由晶体振荡器提供外部50MHz参考;有三个主要接口:DDR2SDRAM,速率为350MHz,ADC数据总线为150MHz,以太网为100MHz。所有这些部件都由1.8V降压转换器供电。去耦合(包括PCB重叠和电容)对SSN和EMC的影响可以通过表1中列出的测试案例来理解。

在测试案例1中,原型PCB包括四个信号层和一个接地层,以及连接到PCB上的16个0.1μF去耦电容器的+1.8V电源引脚。在测试案例2中,原型PCB包括四个信号层和三个接地层,以及连接到PCB上的25个0.1μF去耦电容器的+1.8V电源引脚。


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表1.对SSN和EMC影响PCB去耦合的测试案例进行研究


从图1的PDN阻抗曲线可以看出(利用mentorGraphyperlynx软件分析后期布局的功率完整性)。与测试案例1相比,测试案例2的电网具有更好的去耦条件,因此在宽带范围内具有更低的阻抗。0.1μF的电容器将影响中低频段(400mHz)。此外,当频率高于400mHz时,接地层的平面电容器会产生影响。与测试案例1相比,测试案例2有更多的去耦电容器和接地层,因此PDN阻抗性较低。


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图1.PDN阻抗图


然后,在两个测试案例中,当频率跨越30MHz到1000MHz时,比较+1.8V的功率频谱(通过交流耦合探测使用频谱分析仪)。参见图2b中所示的测试案例2的频谱。观察到的杂散主要是由晶体振荡器(50MHz基频)、DDR2SDRAM(350MHz基频)、ADC数据总线(150MHz基频)和以太网(100MHz基频)之间的谐波引起的。在图2A中所示的测试案例1中,由于去耦合性能差,在光谱上有杂散,其功率最高。

PDN阻抗阻抗和晶体振荡器瞬态电流的相互作用,以及IC输出缓冲器(即SSN)在特定频率上同时开关或切换,共同产生电网噪声。通过改善去耦合和降低功率阻抗,可以抑制SSN和频率杂散。


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两个测试案例的原型之间的噪声性能可以通过在3米的电波暗室中进行辐射发射(RE)测试来比较。测试案例2显示了比测试案例1更好的RE或EMC性能。测试案例2中有更多的接地层,这不仅可以改善去耦合或PDN阻抗,还可以提供一个适当的返回路径,沿着PCB标志传输的所有信号,从而进一步减少辐射发射。

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图3a.RE图3b:RE测试案例2

结论

实际测试证实了去耦合对SSN和EMC的确会产生影响。因此,PDN和PCB叠层必须采用严格的方式执行, 以确保原型具有出色的质量、稳健性和功能。

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