在PCB设计中,谐振效应是一个不可忽视的问题,它可能导致信号完整性问题、电源分配系统(PDS)工作异常,甚至成为EMI辐射源。以下是关于PCB谐振效应的一些详细信息:
1. 谐振产生的原因:
- PCB中的谐振通常由周期性结构引起,如玻纤的周期性排布和周期性的布线。
- 当信号的波长等于周期长度的整数倍时,会发生谐振,导致能量损耗,通常表现为插入损耗和回波损耗中的峰值。
2. 谐振频率和强度:
- 谐振强度可以通过比较原始和拟合的传输线参数来计算。
3. 谐振的机制:
- PCB的差分对中存在两种谐振机制:差分和共模转换导致的PN skew,以及阻抗不连续。
4. PCB材料的周期性结构:
- PCB的介质材料通常由经向和纬向的玻璃束编织而成,形成周期性结构,这种结构中树脂和玻纤的介电常数显著不同。
5. 预测方法:
- 早期的谐振预测方法主要基于单层PCB模型,而现代高速产品通常采用多层PCB模型,因此需要更复杂的仿真方法。
6. 仿真研究:
- 通过仿真研究,可以了解玻璃束的随机分布对谐振的影响,并简化3D玻布模型以研究复杂层压板和周期性布局设计的谐振。
7. 动态仿真:
- 动态仿真表明,由周期性结构引起的谐振会影响信号完整性,尤其是在谐振频率接近信号工作频率时。
8. 电源平面谐振:
- 在PCB的电源分配网络(PDN)中,电源平面和接地平面之间的电磁波传播可能会激发谐振,导致电路板边缘出现强辐射,这些谐振通常在GHz范围内。
9. 抑制谐振:
- 选择低介电常数的PCB基板材料、采用HDI布局和路由、包括隔离结构等方法可以抑制谐振。
10. 微波谐振腔:
- PCB可以被视为微波谐振腔,其中信号的发射可能会激发其他区域的谐振,这种现象在高频下尤为明显。
在发布技术资料时,可以强调谐振效应对PCB性能的影响,并提供一些实用的设计建议来避免或减少谐振问题。例如,使用Cadence Sigrity软件进行电源和地平面间谐振电压噪声和阻抗特性的仿真,通过控制变量对比不同PCB设计下的仿真结果,发现增加去耦电容、减小平面间距和合理的平面分割方式可以降低谐振效应。此外,基于谐振理论的PCB电磁兼容优化设计方法也是一个重要的研究方向。