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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。

' {& |2 h3 r. w  Z6 a: e6 o8 c

  U- p- c% ?0 S% Q' n! H& u
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。
; g# N5 G7 h: h/ Y

( t4 F1 d) |9 w# P0 ?# {
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。

  A7 s( Z5 z" L* |8 K( i

6 l7 ~, q; X* E+ c' Z; U! z) ]
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)。

5 z$ u0 L5 c. ^
+ `% q& p7 }& I
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。
2 z  l1 ~+ x- G; e6 ^7 |
. ?4 C  W5 ]$ r6 u8 G
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。
! r3 G9 C+ J3 X4 R9 ?
9 q2 D2 s6 {! `  V: 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。

  \7 l4 ^, x  ^- h8 v" ^
3 y1 w5 _  D" c% ]6 {% W, k. f
ESR随频率变化的趋势与该电容的阻抗变化一致。

; Q7 X# V8 @: W8 C0 `( c
  S5 {- a, N: W7 C0 C
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。
5 P$ o6 w" a$ }5 g. e6 X: q7 u) J
4 O3 `# D  u  D, K. `' d* U1 [
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。

, N3 t7 D; U- n8 y# M6 i& h- V
8 x! x4 n# C# v% [
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。
# b% Y) Z% u& c9 ?* K$ t# D$ j! m, p! N
* ~2 M9 D* _% l9 t+ j
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”。

7 j; h$ q2 I; y
) M& S* \( e" i; }! m/ \( i
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。

' @( L! W2 {: C0 }% e
- m. H* m1 D& f, K& [9 Q
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?

+ f8 D( e0 V6 e+ G, r) C  C
1 C- ]! [$ f( v% W; G" s3 d7 V
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。

/ p! y( Y5 R: S1 ~* A0 X, ?' Y6 w
$ l: ?( r7 Z) |
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。
( ?: ]4 K1 e1 S/ ?

1 I& T" r1 b3 h( j; |0 }# i
See?高速先生一直强调的调整电容要合理真不是吓唬你。

4 F$ Q/ E6 P5 q' a$ k2 M0 c* h
- S" U) l' t7 h/ i- r" _2 F9 Q1 L0 B
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?
6 s, |0 t/ ]" i" i; a2 `  R
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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

. `, s- Z+ P* P. n* f% P感谢楼主分享
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