随着人类对高速数据处理与运算的需求,电脑技术的进步一日千里。而电脑的架构,除了IC晶片制程的尺度越来越小,各元件彼此间的互连密度也越来越密集,操作频率更是越来越高,在频率提高的同时,计时(timing) 精度也必须越来越精确。目前数字信号的操作频率虽然只有数百个MHz,但是由于它的上升与下降时间很短(数百ps) ,因此频率范围往往到达数个GHz。也就是说,一个完整的数字信号,除了本身的频率外,其高次谐波分量也必须考虑。而一个印刷电路板不论是封装或是主机板,其几何结构与电路的谐振频率也差不多位于这一个范围。不当的电源供应系统设计会导致电源品质的恶化,甚至造成系统无法正常操作。
此外,由于元件的密度越来越高,数量越来越多,降低每个元件的功耗是当务之急。因此,低操作电压与小振幅(swing)是普遍的设计趋势。然而,操作电压越低,也表示它越容易受到杂波的影响。这些杂波来源很广,如信号的耦合或串扰,相邻两信号之间的相互干扰(Inter-Symbol Interference, ISI),电磁辐射(EMI/EMC)等。但是,影响最大的是电源的杂波,特别是当数个信号同时开关时所产生的同时切换杂波(simultaneous switching noise, SSN)。以下介绍降低电源杂波的两种方法,
1、去耦合电容
在众多去除电源杂波的方法中,采用去耦电容是最常用的方法。
去耦电容的作用是将多余的电能储存在电容器中,并在电能供应不足时,释放给电源供应系统。它能吸收突波,降低杂波,稳定电压。在实际应用上,去耦电容的位置越接近元件效果越好。然而当元件很多时,如何安排去耦电容的位置也必须有所取舍。而在某些布线紧密的设计下,例如机板布线,不太容易找到足够且适当的空间来安置这些电容。
另外,去耦电容多少都会有等效串联电感(equivalent series inductance, ESL)存在,导致在高频时整个去耦电容呈现电感性(inductive),而失去了吸收高频杂波的能力。
2、吸收高频杂波
PCB中的介电物质本身的特征损耗参数就能消耗高频杂波。例如常用的FR4的损耗参数在1GHz环境下是0.02。然而这个值并不足以提供足够的吸收高频杂波能力。
如果更换成其它介电物质,单从吸收高频杂波能力方面考虑可能会好点。但是,利用损耗特性吸收高频杂波时,一方面损耗介电物质可以有效的吸收杂波,但另一方面也会衰减高频信号的传输能力。为此有人提出利用很薄的金属导电层本身的集肤损耗(skinloss)来吸收这些高频杂波,但是这种方式需要变更目前的生产流程与方法。也有人提出在PCB边缘涂上损耗物质。这是利用电路板上的边界条件,使得谐振时最大电磁场集中在电源面与接地面的边缘。这种方式可以有效的吸收高频杂波,降低电磁辐射。
然而该方法缺点是此损耗物质可以导电,会增加漏电流。另外,该损耗物质无法吸收电路板内的高频杂波。为了解决上述问题,又有人提出利用不导电的微波损耗物质。
该方法利用的原理和前者很像,不同的是,它吸收磁能而非电能。这种方法可以解决漏电流的问题,但它一样无法吸收电路板内的高频杂波。此外,由于吸波材料方面的限制,无法找到可以吸收宽频带损耗物质。这限制了它的实用性。
这些方法在某种程度上,可以降低高频杂波与电磁辐射,但是都有其应用上的限制。