PCB設(shè)計埋容設(shè)計和仿真的方法

本文介紹了埋容設(shè)計和仿真的方法，主要是通過電源供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的阻抗分析，來確定濾波電容的設(shè)計方案，目標是通過使用埋容，能減少板子上大約70%的分立電容。同時由于反諧振點的存在，我們通過同步開關(guān)噪聲（SSN）仿真分析，來排除反諧振點對電源噪聲的影響。最后通過實際電源紋波和噪聲測試，來驗證和優(yōu)化埋容的設(shè)計和仿真。

1. 引 言

低電壓大電流成為當(dāng)今電源設(shè)計的趨勢，電源供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的性能越來越被設(shè)計工程師重視。而隨著消費類電子產(chǎn)品功能的提升，在有限的板子面積上需要放置的器件也越來越多，留給電容的空間也越來越少。在這種形勢下，埋容設(shè)計就是有效的提升PDN設(shè)計的手段之一。埋電容是利用具有較高電容密度的材料，同時減少層間的距離，來形成一個足夠大的平板間電容，作為電源供電系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)去耦和濾波作用，從而減少板子上所需的分立電容，并且能達到更好的高頻濾波特性。埋容由于其寄生電感非常小，能有效減少分立電容的安裝電感，從而對低頻也有非常明顯的改善效應(yīng)。

● 埋容帶來的其他好處還有：

● 通過減少電容數(shù)量，來降低貼片焊接的難度

● 提升產(chǎn)品可靠性，避免小尺寸的分立器件帶來的可靠性問題

● 減小單板面積，實現(xiàn)輕薄短小

2． 技術(shù)方案和實現(xiàn)方法

由于工藝和技術(shù)的成熟，以及高速設(shè)計對于電源供電系統(tǒng)的需要，埋容的技術(shù)應(yīng)用越來越多，使用埋容技術(shù)，我們首先得計算平板電容的大小，公式如下：

C =（A*D_k*K）/H

圖一 平板電容計算公式

其中：

● C是埋容（平板電容）的電容量

● A是平板的面積，大部分設(shè)計在結(jié)構(gòu)確定的情況下，平板間面積很難增大

● D_k是平板間介質(zhì)的介電常數(shù)，平板間電容量和介電常數(shù)成正比

● K是真空介電常數(shù)（Vacuum permittivity），又稱真空電容率，是一個物理常數(shù)，值為8.854 187 818× 10-12法拉/米（F/m）；

● H是平面之間的厚度，平板間電容量和厚度成反比，所以我們想要得到較大的電容量，需要減小層間厚度，3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的層間介質(zhì)厚度，加上16的介電常數(shù)，大大增加了平板間電容量。

經(jīng)過計算，3M的C-ply埋容材料，在每平方英寸的面積上，能實現(xiàn)6.42nF的平板間電容量。

一個良好的層疊，正常情況下已經(jīng)考慮了平板間電容，所謂埋容設(shè)計只是采用特殊的材料來加大這個平板間電容。對于PCB設(shè)計來說，只需要在正常層疊之外，把使用的特殊材料標注出來，如圖二所示，是一個使用ZBC材料來進行埋容設(shè)計的例子。

圖二 埋容設(shè)計案例

2.1埋容材料選擇

常見的埋容材料提供商有美國3M公司，日本OAK，Neclo也提供ZBC系列的埋容材料，不過由于在介質(zhì)厚度和介電常數(shù)上都沒有明顯優(yōu)勢，更多會在大型通信板子上采用，來提升電源地之間的耦合。消費類產(chǎn)品會更多采用3M和OAK的材料，埋容的效果更好。下面是各家材料的一些參數(shù)：

3M C-Ply

OAK BC系列

Nelco ZBC系列

圖三 常見埋容材料參數(shù)

注：選擇埋容材料的時候，還需要關(guān)心價格，可加工性等因素，尤其是3M和OAK的材料，介質(zhì)厚度比較薄，加工的時候需要兩面單獨蝕刻，復(fù)雜的加工工序會帶來難度和成本的增加。

2.2埋容與PDN仿真

埋容的PCB設(shè)計絕不僅僅只是把加工的要求傳遞給板廠，還需要使用PI仿真工具進行PDN目標阻抗的仿真，從而確定單板的電容設(shè)計方案，避免埋容和分立電容的冗余設(shè)計。圖四是一個埋容的PCB設(shè)計的PI仿真結(jié)果，只考慮板間電容的效果，沒有加入分立電容的效應(yīng)。能看到只是增加埋容，整個電源阻抗曲線性能得到很大提升，尤其是500MHZ以上，是板級分立濾波電容很難起作用的頻段，平板電容能有效降低電源平面阻抗。

圖四 埋容對于PI的效果

也就是說，埋容作為PDN的一部分，能起到相當(dāng)?shù)淖饔茫墙^對不是全部。如圖五所示，埋容的平板間電容和必要的Bulk電容，Bypass電容一起綜合作用，構(gòu)成了板級PDN元素。再和VRM，Package內(nèi)電容，Die內(nèi)電容等一起組成完整的PDN系統(tǒng)，完成電源供電。

圖五 PDN以及頻率范圍

所以，針對埋容的PCB設(shè)計所進行的仿真，需要解決以下問題：

● 單純只按照所需電容量進行設(shè)計是不夠的：平板間電容量計算，這是很多人第一步關(guān)心的事情，按照公式計算看起來沒什么難度，但是平板間面積由于打孔以及不規(guī)則平面等因素變得比較復(fù)雜

● 根據(jù)實際的平板情況（考慮了打孔以及不規(guī)則平面等因素）進行仿真，得到平板間的阻抗曲線

● 加上VRM、Bulk電容、Bypass 電容、平板間電容一起得到板級綜合的PDN阻抗曲線

● 根據(jù)PDN目標阻抗曲線，估算時域電源噪聲

編輯：hfy