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去耦合对电磁兼容的影响

<p>本文通过实际案例，来证实PCB的PDN阻抗、SSN和EMC之间的关系。</p>

<p>在考虑配电网(PDN)阻抗与同时开关噪声(SSN)和电磁兼容性(EMC)的关系时，了解去耦合的影响至关重要。如果一个pcb的功率完整性或去耦合特性较差，例如高PDN阻抗， 就会产生SSN和EMC问题。本文将通过实际案例，来证实pcb的PDN阻抗、SSN和EMC之间的关系。</p>

<p><strong>分析和结果</strong><br />
测试的原型为下面两个版本：一个由晶体振荡器提供外部50MHz参考的FPGA；三个主要接口：350MHz时钟速率的DDR2 SDRAM、150MHz的ADC数据总线和100MHz 的以太网。所有这些元器件都由1.8V降压转换器供电。通过表1中列出的测试案例，可以了解去耦合(包括pcb叠层和电容器)对SSN和EMC的影响。</p>

<p>在测试案例1中，原型pcb包括四个信号层和一个接地层，有16个0.1μF去耦合电容器连接到pcb上FPGA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，有25个0.1μF去耦合电容器连接到pcb 上FPGA的+1.8V电源引脚。</p>
<img alt="表1. 研究pcb去耦合对SSN和EMC影响的测试案例。" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="11634865-88e0-4436-85ad-de1105fed7ef" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A81.%20%E7%A0%94%E7%A9%B6pcb%E5%8E%BB%E8%80%A6%E5%90%88%E5%AF%B9SSN%E5%92%8CEMC%E5%BD%B1%E5%93%8D%E7%9A%84%E6%B5%8B%E8%AF%95%E6%A1%88%E4%BE%8B%E3%80%82.jpg" />
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<p>表1. 研究pcb去耦合对SSN和EMC影响的测试案例。</p>
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<p>由图1的PDN阻抗曲线可以看出( 使用Mentor Graphic Hyperlynx软件对布局后期的功率完整性进行分析)，相比测试案例1，测试案例2的电力网有更好的去耦合条件，因而在宽带范围内有更低的阻抗。0.1μF的电容器在中低频段（&lt; 400MHz）会产生影响。另外，接地层的平面电容在频率高于400MHz时会产生影响。与测试案例1相比， 测试案例2有更多的去耦合电容器和接地层，因而具有更低的PDN阻抗。</p>
<img alt="图 1. PDN 阻抗图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d6db3ac6-8c93-4226-8adf-1a862d714605" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE%201.%20PDN%20%E9%98%BB%E6%8A%97%E5%9B%BE.jpg" />
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<p>图 1. PDN 阻抗图</p>
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<p>然后，对两个测试案例中频率跨越30MHz至1000MHz时+1.8V(使用频谱分析仪通过交流耦合探测)的功率频谱进行比较。参见图2b所示的测试案例2的频谱，所观察到的杂散主要是由晶体振荡器(50MHz基频)、DDR2 SDRAM (350MHz基频)、ADC数据总线(150MHz基频)和以太网(100MHz基频)的谐波造成的。在图2a所示的测试案例1中， 由于去耦合性能较差，频谱上出现了杂散，其功率达到最高。</p>

<p>PDN阻抗和晶体振荡器瞬态电流之间的相互作用， 加上在特定频率上同时开关或切换的IC输出缓冲器(即SSN)，共同产生了电网噪声。通过改善去耦合降低功率阻抗，SSN和频率杂散便能得到抑制。</p>
<img alt="图2a: 测试案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8af6b005-b96c-4c6b-a939-3f7ac82f038a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%20%E6%B5%8B%E8%AF%95%E6%A1%88%E4%BE%8B.jpg" />
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<p>图2a: 测试案例1 中+1.8V的SSN　　　图2b:测试案例2 中+1.8V的SSN</p>
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<p>通过在3米的电波暗室进行辐射发射(RE)测试可以比较 两种测试案例的原型之间的噪声性能。测试案例2显示出比测试案例1更好的RE或EMC性能，测试案例2中有更多的接地层，这不仅能改善去耦合或PDN阻抗，还为沿pcb 迹线传输的所有信号提供了恰当的返回路径，从而进一步降低了辐射发射。</p>
<img alt="图3a: 测试案例1的RE 图3b:测试案例2的RE" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e8c078dd-fd92-4453-9ea8-5c805c62197d" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%20%E6%B5%8B%E8%AF%95%E6%A1%88%E4%BE%8B.jpg" />
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<p>图3a: 测试案例1的RE 图3b:测试案例2的RE</p>
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<p><strong>结论</strong><br />
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。</p>

<p>文章转载自：<a href="https://www.ednchina.com/news/201701100800.html">电子技术设计</a></p&gt;