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电容搞搞”振“,PDN有帮衬

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发表于 2023-11-21 10:02:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
高速先生成员--姜杰
聊电容,不能只聊电容,还要聊电阻和电感。看似很简单,其实,一点都不难。

5 \* ^# `  l; t% e6 j/ {, b: k+ }
6 q* M# S+ c4 T4 A& ^4 K# E
因为去耦电容的模型基本都可以用下面三种元素的简单组合来表示。
% @. S( n5 A1 C+ s' @% I

4 g# |8 Y5 I9 u/ P4 A
理想电容C的阻抗是随频率的增加而逐渐减小的一条斜线,实际上由于电容中等效寄生电阻(ESR)和等效寄生电感(ESL)的搅局,问题开始变得复杂。不同的电容自谐振频点不同,谐振点阻抗各异,滤波频段也有区别……
看似很复杂,其实,很简单。

, Y0 j# o' f$ c. ?

6 G' }7 k0 a6 U+ c* g' I1 s$ t& N
电容搞搞“振”,第一“振”来自同一电容ESR\ESL\C的串联谐振(也叫做自谐振)。
4 |' c& D* F- \. t
  u- U0 ]: N5 a& T* K0 \- g8 ~, W4 l
先来看看电容模型的各参数是如何影响阻抗曲线的。对于电容容值C,不难发现,相同ESR和ESL的情况下,随着容值的增加,自谐振频点向低频移动,同时,滤波频段也会加宽。

6 C: j* q: y- Y. a5 b3 `

5 \& [7 o) C, _2 B7 a
接下来再看哈ESL的影响。在保持其它参数不变的情况下,随着ESL的增加,自谐振频点向低频移动,同时,滤波频段也会随着变小。
8 c# U6 @- h9 F# U( `
9 s' S" U& Y: Q7 Q: k1 l
需要注意的是,ESR的情况会复杂一些,因为它是一个频变的参数。

- D# U. M, D# e6 i8 r* K% k
8 z) G  B) T. l/ I* E2 q
ESR随频率变化的趋势与该电容的阻抗变化一致。

" B: Q* G3 s# \* c: W" G

# f( K: x/ E4 X" A& ~" [- E, Z- _3 l
不过,为了简化问题,我们这里先把ESR作为一个常数,它的变化对阻抗曲线的影响如下图。

2 L$ S7 @! r7 A+ F$ r
5 n/ u: _% f# O! m% x2 j3 {
对比上面几个图,我们会发现一个有趣的现象,那就是电容自谐振频点的ESR基本决定了阻抗的最小值。
* X5 W& z) K# k) n

3 Q. b3 t/ A8 b
以上只是单一容值电容的阻抗曲线。了解PDN阻抗曲线的童鞋会发现常见情况并非如此,而是像人生一样总是起起伏伏。
0 y1 `+ }( l, H8 N

% n; h4 w$ X( p( g, S$ P
其实,这是容值不同的电容并联谐振的结果,也是本文要说的第二“振”。

* o% Q% l0 b' h) U
7 n5 \6 t+ u) K" N! ?- b
分析起来也很简单,当一个电容的感性区遇上另一个电容的容性区,谐振峰就出现了。
  {" `6 e7 r2 k

6 F$ }1 o: v3 h5 `
综合考虑VRM和芯片内去耦,如果说第一“振”决定了阻抗曲线的波谷,第二“振”通常确定了阻抗曲线的波峰。
电容种类这么多,原理图设计或者备料出错的机会大大增加,作为一名设计攻城狮,希望板子简单点,精简一些电容,这个要求并不过分吧?

) Q  J" O, q0 r5 [1 {6 k
( y4 P- `4 ~2 T  c$ F. W8 n
说干就干,在前文三种电容并联的基础上,去掉100nF的电容,看看会怎样。
$ |; y0 C7 E/ L: z/ X& w; o  H/ m& U
) A% I, c# p+ V# w, Q
这么看,除了在100nF的去耦频段出现一个谐振峰,好像也没什么问题,毕竟,这个峰值也没那么高。我们继续把VRM和芯片内去耦模型加上,看全链路的情况。

: d- ?8 }' S- a

. I1 e+ W" z: H& a
See?高速先生一直强调的调整电容要合理真不是吓唬你。

4 G5 d9 }7 A! T) h& r; G( W
) y  \* T# O! f
当然,这个例子只是为了凸显电容影响而挑选的极端情况。
电容不是老虎屁股,一点摸不得,具体种类和数量可以通过仿真进行优化,是增是减,It depends!
对于电容相关的电感参数,除了电容自身的ESL,还需要关注什么?

; C! {& v8 t; i" I2 t
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发表于 2023-12-19 13:47:58 | 显示全部楼层
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发表于 2023-12-20 08:26:52 | 显示全部楼层
: I4 m% w8 Y) ^) C8 V
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