1小时学会PDN设计(四)

2019年5月9日 FireSu 2285  0  0
去耦电容和滤波电容的差异是什么?为什么要用不同的去耦电容?去耦电容该怎么搭配?

前面我们了解到,去耦电容设计和PCB布局布线的好坏,决定了PDN是否能满足要求。由于VRM在为负载提供高频电流时,显得萎靡不振。所以去耦电容在PDN的地位等同于VRM。去耦电容存储存储的电荷虽少,但摆放合适的情况下,可以为负载提供所需要的高频电流。所以本章重点讲解去耦电容的特性和去耦电容的设计

 

去耦电容和滤波电容的区别是什么?

去耦电容和滤波电容在本质上没有区别,它们都是电容,都是为了去除电源上的高频交流杂波。

滤波电容是滤除VRM自身产生的高频交流杂波(例如开关电源的纹波),常放置在电源的输出端,滤波电容将电源产生的交流杂波通过自身导入GND上,达到消除目的

去耦电容是滤除负载自身产生的高频交流成分(例如开关噪声),常放置在负载的电源输入端。前面我们说过,负载突然抽取高频大电流,由于VRM萎靡,负载就只能靠PDN上的去耦电容来补充电流,一旦PDN不好,输入端的电源就会产生塌陷或者过冲,产生高频交流杂波。去耦电容是为负载补充高频的电流,来避免产生杂波

正是因为此,工程测量噪声时,要求靠近输入电容测试,噪声是高频,示波器用全带宽。测量纹波时,要求靠近输出电容测试,纹波是低频。要求纹波用20M带宽。

所以,去耦电容为负载补充高频电流,防止负载产生杂波。滤波电容将电源产生的杂波短路到GND上,来消除杂波。这就是二者最大的差别。

 

去耦电容的理想与实际?

我们在物理学科中,知道电容的重要特性是“通交隔直”。这个词对电容的特性阐述的非常精准,但也因为光芒太亮,导致我们忽略了课本中的电容的另外1个特性:理想模型。

在理想模型下,负载的高频电流就是交流电流,而电容通交隔直,根据电容的阻抗公式Xc=1/2πfC。我们会以为,频率越高,电容的阻抗越小。所以忽略了理想模型的工程师,总是有个疑问:既然电容通交隔直,放的电容值越大,去耦效果岂不是越好?

理想的电容模型,电容就是1个简单的C组成,而实际电容的生产工艺中,由于存在金属连接,封装等各种因素,势必会引入寄生参数(主要为ESLESR,有些电解电容还存在漏电,就需要在电容模型边再并联个大电阻,此处忽略不计)。从而电容的理想模型和电容的实际模型如下:

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibqdc2AzqKSIvWldVU0sVgBMNzgZZBmqicFaZbWvOjUd70rohMPGapicxhQ/640?wx_fmt=png                           

正式由于实际模型中出现了ESLESR,所以电容的阻抗公式Xc=ESR+1/2πfC+2πf*ESL。用仿真软件,进行仿真。

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibqtFRxmibzbYptmHCauMHFlLL1NicKmfib6hZDoRA9M2fzlw0MBeIRp6MzQ/640?wx_fmt=png

 

电容的频率响应曲线成了下面的这个样子:

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibq0NClcwbd6cbkt6V2nnncB1fibE0VMibQhuCqsPTiamFxZP9OiaKZxWSNYw/640?wx_fmt=jpeg

 

我们看到:

理想模型,频率越高,电容容抗越小,直到趋近于0

实际模型,在到达某个最低点后,随着频率越来越高,电容抗值又增加了。这就是理想与现实的差距。

在实际模型中,曲线最低点就是电容的谐振点,在谐振点处的频率称为电容的谐振频率,谐振点处的阻抗值为ESR 

 

正是因为实际电容只有在频率谐振点处,阻抗最低,所以如果要实现PDN全频段阻抗都低,就需要搭配不同的电容来实现

 

去耦电容该如何选择?

目前用的最广泛的是陶瓷贴片电容,陶瓷贴片电容主要有如下2个特性:

1. 同样类型相同容值的陶瓷贴片电容,封装越小,ESL越小,谐振频率点越高。如下为村田1uF电容,不同封装的频率响应曲线。红绿蓝黄分别对应的封装分别为:0805,0603,0402,0201https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibqpZ8b2rl1HewgJy16OxImULQ2ZyhG2YCFLTW7AsZPbjOWv0aZuv5qJA/640?wx_fmt=png

 

2.同样封装的陶瓷电容,容值越小,谐振频率点越高。如下为村田0201封装规格的电容,不同容值的频率响应曲线。红绿蓝分别对应的容值为:100nF,150nF,220nF

 

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibqKH2vMyDdRokbDFVsytQR9nge3iaoFuPvntLWb3R65oic6dYLPWNZ27zw/640?wx_fmt=jpeg

 

知道了电容的特性,我们再来看看PDN曲线(电容组合为4.7uF+1uF+100nF+470nF):

 

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibq6ic3dgoEJX54SM38uRyaumkCu8ZoGWuqxYaIfY2vaaia34UwYVEia3H8Q/640?wx_fmt=jpeg

 

可以清楚地看到,每个电容的谐振点都在PDN上表现了出来。所以PDN在哪个频率点超了目标值,就要根据曲线形状来调整相应频率点的电容。

例如某芯片VDD(引脚为A1A2A3)和GND(引脚为B1B2B3)对PDN的要求是,0-30MHz不得超过50mR

首先根据布局面积,评估电源引脚附近可以放置几个电容。此处假如可以放置4个。

4个电容参考电容的规格,找4个谐振点都在30MHz以下的电容,进行搭配仿真,找出余量最充足的搭配组合,仿真方法后续有详细教程。

此处要注意的是,电容单体的谐振频率点在放置在PCB上后,由于PCB寄生参数的影响,谐振点会偏移

所以原理图上去耦电容设计好后,等PCB布局布线完成后,还要根据PCB的影响来做稍许调整去耦电容的参数。

 

本章重点介绍了去耦电容和滤波电容的差异是什么?为什么需要选择去耦电容?选择去耦电容时的原则是什么?下一章我们将重点介绍,PCB布局布线该注意哪些因素,才能设计出性能优良的PDN

用户头像1
 
  2020-9-23
这个仿真软件用的是啥啊
用户头像1
 
  2020-9-23
能不能共享一下,再来一个小白教程
用户头像1
 
  2020-10-17
Hyperlynx,有教程。
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像3
1小时学会PDN设计(四)     
Copyright @ 2015 Fire.Su 版权所有陕ICP备19023440号