电源完整性设计中的谐振仿真

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1、电源完整性设计中的谐振仿真ResonanceSimulationinPIDesign诺基亚（中国）肖丹摘要以一个简单的PCB地电平面为例，通过理论计算与SigrityPowerSI仿真参照比对的方式，分析谐振的原理以及Z参数仿真结果与谐振频率的对应关系，并进一步提出在考虑激励源对谐振影响的情况下，VRM应采用电压源等效，受电IC应采用电流源等效的激励源模型才能得到正确的仿真结果。关键词电源完整性；谐振；本征模；电源分配网络自阻抗；激励源AbstractThisarticleintroducesPCBpower-groundresonancet

2、heoryanddiscussesontherelationshipbetweenZsimulatedparameterandresonancefrequency,basedonthecomparisonoftheorycalculationandsimulationinSigrityPowerSIviaonesimpleexample.Additionally,consideringabouttheimpactofexcitationsourceimpedance,VRMshouldbemodeledasvoltagesourceanddr

3、inkICshouldbemodeledascurrentsourcetogetrightsimulationresults.KeywordsPI,resonance;eigenmode;PDNself-impedance;excitationsource1概述在电源完整性设计中，去耦电容的数量、型号和位置，取决于电源面与地平面间的谐振热点分布和谐振频率、强度。除了实测之外，还可以借助电磁场仿真工具进行谐振分析。谐振仿真避免了由测量仪器的局限而带来的测试误差，正确的仿真与实测具有良好的吻合性。在谐振仿真的使用中存在很多误区，必须与谐振理论相结

4、合，才能从数据中提取有用的信息。常用的PI仿真工具，如SigrityPowerSI、AnsoftSI-wave，均提供了三种可求解谐振的仿真模式：①本征模求解谐振（谐振模式求解器）；②S/Z参数提取（加端口）求解谐振（参数提取求解器）；③加激励源求解谐振（扫频求解器或空间模式求解器）。前两种仿真模式可以帮助我们分别从谐振腔和能量传输的角度理解PCB地电平面谐振的实质。第三种仿真模式最接近于对实际带电工作PCB板的模拟。下面以一个简单实例，在SigrityPowerSI中分别采用三种仿真模式进行分析。分析实例为两层PCB，表层电源面，底层地平面

5、，PCB尺寸：宽a=30mm，长b=50mm，铜厚0.011mm，介质层εr=4.2，介质层厚h=0.063mm，叠层结构和参数设置如图1中右图所示。图1左图中A点为地电平面对角线中心，B和C点为地电平面对角线的两个终点，在对谐振本质的分析中将会用到这几个位置。图1简单结构的无源理想地电平面（SigrityPowerSI模型）2谐振的本质2.1从矩形谐振腔的角度理解地电平面谐振在研究PCB理想地电平面（地平面与电源平面为面积相等的矩形，平行且临近）的非辐射特性时，其上下表面为PEC（perfectelectricconductor，理想电边界

6、），其余四壁为PMC（perfectmagneticconductor，理想磁边界），这种结构可被视为矩形谐振腔，如图2所示。图2理想地电平面组成矩形谐振腔谐振频率可以用矩形谐振腔体的本征值求解：cmπnπpπ222姨a（）+（）+（）（1）fmnp=bh2π姨εr（f=2.9GHz）和mode7（f=4.84GHz）的谐振将被激1mode4式中，c=，是真空中的光速；εr为介质层相对介电姨μ0ε0发，而其他频点谐振不明显或不会被激发出来。当激励源加在图1中的B点时（地电平面的对角线终点位置），所有的谐振模式都会被激发，同时mode3（f=2

7、.81GHz）和mode5（f=3.78GHz）的谐振最强。也就是说，实际工作中的谐振模式与谐振强度与激励源所在的位置有关。在激励源加入会改变谐振分布的情况下，由于Sigri-tyPowerSI中本征模仿真是无源仿真，为了引入激励源的影响，需要在相应的源位置处手动用电阻替代激励源内阻。2.2从信号传输与反射的角度理解地电平面谐振对于不上电工作的PCB板，测量S/Z参数（VNA二端口网络法）是一种最常用的求解谐振的做法。仿真工具中有相应的S/Y/Z参数提取求解器，具体方法是在地电平面间加单端口计算S11或Z11，与此相关的问题包括：（1）如何从

8、S/Z参数中看谐振频点？（2）如何避免端口对谐振仿真结果的影响？常数；m、n、p是本征值的模数；a、b、h分别是理想地电平面的宽、长和介质层厚度。由于h很小，相对于