Sigrity PowerSI和OptimizpPI电源完整性如何通过仿真确定去耦电容的数量
Sigrity PowerSI和OptimizpPI电源完整性如何通过仿真确定去耦电容的数量前言Sigrity PowerSI是IC封装和PCB设计快速准确的全波电磁场分析，作为专业的频域分析工具，为当前高速电路设计中面临的各种信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁兼容(EMI/EMC)分析提供快速准确的全波电磁场分析，并提供宽带 S参数提取以及频域仿真。PowerSI可以为IC封装和PCB设计提供快速准确的全波电磁场分析，从而解决高速电路设计中日益突出的各种PI和SI问题：如同步切换噪声（SSN）问题，电磁耦合问题，信号回流路径不连续问题，电源谐振问题，去耦电容放置不当问题以及电压超标等问题，从而帮助用户发现或改善潜在的设计风险。Sigrity OptimizpPI是针对PCB和封装的频域仿真工具，通过前仿真和后仿真实现电容方案的选型和优化，进而提高系统或器件的性能。OptimizePI是能够帮助设计者综合考虑PCB或封装的电源分配网络（PDS）去耦电容的性能和成本。OptimizePI通常可以节省15％到50％的成本，通过分析可以确保系统或器件的PDS实现最佳性能。OptimizePI基于Cadence的电磁场电路混合引擎并结合专有的优化算法，帮助用户快速得到最佳的电容方案及布局方案。最近有朋友发邮件咨询使用Sigrity PowerSI和OptimizpPI软件如何通过仿真确定去耦电容的数量的问题，今天我将和大家一起来学习如何解决这个问题。看看究竟如何通过仿真的办法来确定电容数量和容量，今天的讲解会从原理开始一步步地进行讲解，让大家明白仿真背后的道理和进行仿真的操作步骤。一首先需要先了解下电容的频率特性，ESR,ESL,电容的反谐振点阻特性。1、去耦电容根据封装结构和材料的不同，可以分成电解电容、钽电容、陶瓷电容等。电解电容与钽电容通常体积大，带来的串联电感也比较大，通常用于低频滤波电路。陶瓷电容由于封装尺寸小，寄生电感小，结构稳定等优点，被广泛的适用于中高频率滤波和去耦电路中。2、在频率很高的时候，电容不能作为一个理想的电容对待，而是存在着寄生参数。通常用ESL表示其有效的寄生电感参数，用ESR表示有效的寄生电阻参数。考虑寄生效应后滤波电容的等效电路如下图所示，串联的RLC电路在频率F0处发生谐振，这个F0被称为该电容的自谐振频率。在自谐振频率之前电容的阻抗特征呈现容性，在自谐振频率之后阻抗特性呈现感性，相当于电感。470uF电容自谐振频率232KHZ；100nF电容自谐振频率26MHZ；
3、电容的等效串联电感和生产工艺和封装尺寸有关，同一个厂家的同种封装尺寸的电容，其等效串联电感基本相同。一般小封装的电容等效串联电感更低，宽体封装的电容比窄体封装的电容有更低的等效串联电感。利用电容谐振改善PDN阻抗。PDN的阻抗设计通常需要利用去耦电容的谐振特征，通过电容的并联组合获得最低的输入阻抗。不同型号电容的谐振频率如下图所示，可以看出，不同的型号的电容自谐振频率相同，并联的电容数目越多，其容性、感性区域的阻抗越小，自谐振的频率点不变。
4、在电路板放置分立的去耦电容可以灵活地调整电源供电系统的阻抗，实现较低的电源地噪声。为了对一个特定的设计寻求最佳的去耦解决方案，选用Sigrity PowerSI和OptimizpPI软件进行电源供电系统的仿真显得很重要，在下图中是电容的特性，比如C0G 0.1uf的电容反谐振峰出现在10MHZ的频率上，反谐振阻抗在0.005欧姆。可以看到不同系列，不同容量的电容都有各自固有的反谐振峰频点和阻抗最小点不同。
5、接下来我们使用PowerSI扫描电源平面频域特性，可以到这如图所示的阻抗分布曲线，蓝色的曲线是没有添加电容之前得到的PI曲线特征，蓝色线的阻抗有两个谐振峰，190MHZ和780MHZ两个阻抗谐振峰，最大阻抗在60欧姆。绿色的曲线是添加12个0805电容之后的电源平面频域阻抗分布曲线分部相对于蓝色线而言，阻抗下降到了37欧姆。红色线是添加24个IDC电容之后的效果，可以看到平面谐振峰完全消失，阻抗被控制在了10欧姆以下。由此来看，添加去耦电容在合适的位置上起到了改善平面阻抗的效果。
6、这里还必须提出一个标准，也就是我们常说的目标阻抗方法标准，这里有目标阻抗方法的公式。目标阻抗法将PDN网络分为器件Component和系统system两个部分，从器件看向系统的目标阻抗被定义为公式。
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