去耦合會對電磁兼容產生什么影響

本文通過PDN阻抗、SSN和EMC之間的關系可以通過實際案例得到證實。

在考慮配電網(PDN)阻抗與同時開關噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMC)之間的關系時，了解去耦的影響非常重要。如果一個PCB的功率完整性或去耦特性較差，例如高PDN阻抗，SSN和EMC就會出現問題。本文將通過實際案例來確認PCB的PDN阻抗、SSN和EMC之間的關系。

分析和結果

測試的原型是以下兩個版本:FPGA，由晶體振蕩器提供外部50MHz參考；有三個主要接口:DDR2SDRAM，速率為350MHz，ADC數據總線為150MHz，以太網為100MHz。所有這些部件都由1.8V降壓轉換器供電。去耦合(包括PCB重疊和電容)對SSN和EMC的影響可以通過表1中列出的測試案例來理解。

在測試案例1中，原型PCB包括四個信號層和一個接地層，以及連接到PCB上的16個0.1μF去耦電容器的+1.8V電源引腳。在測試案例2中，原型PCB包括四個信號層和三個接地層，以及連接到PCB上的25個0.1μF去耦電容器的+1.8V電源引腳。

表1.對SSN和EMC影響PCB去耦合的測試案例進行研究

從圖1的PDN阻抗曲線可以看出(利用mentorGraphyperlynx軟件分析后期布局的功率完整性)。與測試案例1相比，測試案例2的電網具有更好的去耦條件，因此在寬帶范圍內具有更低的阻抗。0.1μF的電容器將影響中低頻段(400mHz)。此外，當頻率高于400mHz時，接地層的平面電容器會產生影響。與測試案例1相比，測試案例2有更多的去耦電容器和接地層，因此PDN阻抗性較低。

圖1.PDN阻抗圖

然后，在兩個測試案例中，當頻率跨越30MHz到1000MHz時，比較+1.8V的功率頻譜（通過交流耦合探測使用頻譜分析儀）。參見圖2b中所示的測試案例2的頻譜。觀察到的雜散主要是由晶體振蕩器（50MHz基頻）、DDR2SDRAM（350MHz基頻）、ADC數據總線（150MHz基頻）和以太網（100MHz基頻）之間的諧波引起的。在圖2A中所示的測試案例1中，由于去耦合性能差，在光譜上有雜散，其功率最高。

PDN阻抗阻抗和晶體振蕩器瞬態電流的相互作用，以及IC輸出緩沖器（即SSN）在特定頻率上同時開關或切換，共同產生電網噪聲。通過改善去耦合和降低功率阻抗，可以抑制SSN和頻率雜散。

兩個測試案例的原型之間的噪聲性能可以通過在3米的電波暗室中進行輻射發射(RE)測試來比較。測試案例2顯示了比測試案例1更好的RE或EMC性能。測試案例2中有更多的接地層，這不僅可以改善去耦合或PDN阻抗，還可以提供一個適當的返回路徑，沿著PCB標志傳輸的所有信號，從而進一步減少輻射發射。

圖3a.RE圖3b：RE測試案例2

結論

實際測試證實了去耦合對SSN和EMC的確會產生影響。因此，PDN和PCB疊層必須采用嚴格的方式執行， 以確保原型具有出色的質量、穩健性和功能。