原创 埋容设计与PI仿真 一

作者：一博科技，吴均

摘要：本文介绍了埋容设计和仿真的方法，主要是通过电源供电网络（PDN）的阻抗分析，来确定滤波电容的设计方案，目标是通过使用埋容，能减少板子上大约70%的分立电容。同时由于反谐振点的存在，我们通过同步开关噪声（SSN）仿真分析，来排除反谐振点对电源噪声的影响。最后通过实际电源纹波和噪声测试，来验证和优化埋容的设计和仿真。
关键词：电源供电网络（PDN），同步开关噪声（SSN），埋容

1. 引 言
    低电压大电流成为当今电源设计的趋势，电源供电网络（PDN）的性能越来越被设计工程师重视。而随着消费类电子产品功能的提升，在有限的板子面积上需要放置的器件也越来越多，留给电容的空间也越来越少。在这种形势下，埋容设计就是有效的提升PDN设计的手段之一。埋电容是利用具有较高电容密度的材料，同时减少层间的距离，来形成一个足够大的平板间电容，作为电源供电系统的一部分，实现去耦和滤波作用，从而减少板子上所需的分立电容，并且能达到更好的高频滤波特性。埋容由于其寄生电感非常小，能有效减少分立电容的安装电感，从而对低频也有非常明显的改善效应。
    ● 埋容带来的其他好处还有：
    ● 通过减少电容数量，来降低贴片焊接的难度
    ● 提升产品可靠性，避免小尺寸的分立器件带来的可靠性问题
    ● 减小单板面积，实现轻薄短小
2． 技术方案和实现方法
    由于工艺和技术的成熟，以及高速设计对于电源供电系统的需要，埋容的技术应用越来越多，使用埋容技术，我们首先得计算平板电容的大小，公式如下：
   

C =(A*D_k*K)/H
图一 平板电容计算公式

其中：
     ● C是埋容（平板电容）的电容量
     ● A是平板的面积，大部分设计在结构确定的情况下，平板间面积很难增大
     ● D_k是平板间介质的介电常数，平板间电容量和介电常数成正比
     ● K是真空介电常数（Vacuum permittivity），又称真空电容率，是一个物理常数，值为8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m)；
     ●  H是平面之间的厚度，平板间电容量和厚度成反比，所以我们想要得到较大的电容量，需要减小层间厚度，3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的层间介质厚度，加上16的介电常数，大大增加了平板间电容量。
     经过计算，3M的C-ply埋容材料，在每平方英寸的面积上，能实现6.42nF的平板间电容量。
     一个良好的层叠，正常情况下已经考虑了平板间电容，所谓埋容设计只是采用特殊的材料来加大这个平板间电容。对于PCB设计来说，只需要在正常层叠之外，把使用的特殊材料标注出来，如图二所示，是一个使用ZBC材料来进行埋容设计的例子。

                                                    图二 埋容设计案例

2.1埋容材料选择
     常见的埋容材料提供商有美国3M公司，日本OAK，Neclo也提供ZBC系列的埋容材料，不过由于在介质厚度和介电常数上都没有明显优势，更多会在大型通信板子上采用，来提升电源地之间的耦合。消费类产品会更多采用3M和OAK的材料，埋容的效果更好。下面是各家材料的一些参数：

 3M C-Ply

  OAK BC系列

                                              
                                                      Nelco ZBC系列
                                                图三 常见埋容材料参数

     注：选择埋容材料的时候，还需要关心价格，可加工性等因素，尤其是3M和OAK的材料，介质厚度比较薄，加工的时候需要两面单独蚀刻，复杂的加工工序会带来难度和成本的增加。
2.2埋容与PDN仿真
     埋容的PCB设计绝不仅仅只是把加工的要求传递给板厂，还需要使用PI仿真工具进行PDN目标阻抗的仿真，从而确定单板的电容设计方案，避免埋容和分立电容的冗余设计。图四是一个埋容的PCB设计的PI仿真结果，只考虑板间电容的效果，没有加入分立电容的效应。能看到只是增加埋容，整个电源阻抗曲线性能得到很大提升，尤其是500MHZ以上，是板级分立滤波电容很难起作用的频段，平板电容能有效降低电源平面阻抗。

                                                       图四 埋容对于PI的效果

     也就是说，埋容作为PDN的一部分，能起到相当的作用，但是绝对不是全部。如图五所示，埋容的平板间电容和必要的Bulk电容，Bypass电容一起综合作用，构成了板级PDN元素。再和VRM，Package内电容，Die内电容等一起组成完整的PDN系统，完成电源供电。

                                            图五 PDN以及频率范围

所以，针对埋容的PCB设计所进行的仿真，需要解决以下问题：
   ●  单纯只按照所需电容量进行设计是不够的：平板间电容量计算，这是很多人第一步关心的事情，按照公式计算看起来没什么难度，但是平板间面积由于打孔以及不规则平面等因素变得比较复杂
   ●  根据实际的平板情况（考虑了打孔以及不规则平面等因素）进行仿真，得到平板间的阻抗曲线
   ●  加上VRM、Bulk电容、Bypass 电容、平板间电容一起得到板级综合的PDN阻抗曲线
   ●  根据PDN目标阻抗曲线，估算时域电源噪声