在電路板放置分立的去耦電容可以靈活地調整電源供電系統的阻抗,實現較低的電源地噪聲。然后,如何選擇擺放電容位置、選用多少及選用什么型號的去耦電容仍是設計者需要考慮的問題。
因此,為了對一個特定的設計尋求最佳的去耦解決方案,選用合適的仿真軟件及進行大量的電源供電系統的仿真模擬往往是必須的。去耦電容的阻抗呈現下圖所示的V字形特性,在自諧振頻率之前是容性的,愛自諧振頻率點之后是感性的。在電容方案選型時,可以利用去耦電容阻抗在諧振點最低的特點,合理組合不同容值和位置的電容以抵消PDN諧振峰值,改變系統諧振點的分布,并使在關心的頻段范圍內這個PDN沒有明顯的諧振。
利用電容自諧振頻率來抑制PDN諧振
電容是最重要的電源阻抗控制優化器件,接下來我們將通過一個例子進一步闡述其在實際產品中的應用方法。
下圖中是利用電容自諧振頻率點阻抗最低的特點來抑制PDN諧振的一般方法。下圖中通過芯片自阻抗曲線,可以發現其在1MHZ左右有個明顯的諧振,由于常用的470uF電解電容的自諧振頻率基本上位于1MHZ附近,所以我們在PCB上的VRM附件安裝一顆470uF的去耦電容(Bulk),并從新提取芯片端自阻抗曲線。
沒有電容的情況
增加Bulk 470uF電容的情況
Bulk 470uF電容添加后的阻抗曲線,可以發現1MHZ附近的諧振峰明顯的消失,但是10MHZ附近出現了新的諧振峰。此時可以通過板上合適的位置放置一些容量比較小的高頻陶瓷電容MLCC電容100nf-22uf,來進一步抑制10MHZ附近的諧振。下圖顯示了通過高頻電容的組合能有效的消除10MHZ出的諧振峰。
從上面的例子分析鐘我們可以看出利用頻域仿真獲取PDN網絡的輸入阻抗,并利用阻抗諧振針對性性地添加板基去耦電容是改善PDN性能的行之有效的手段方法。
電源噪聲從頻譜上來看是一個很寬的頻率范圍內的噪聲,頻域分析需要在一定的范圍內考慮;基于網絡參數法的目標阻抗法是PDN的頻域分析中最常用的方法。PDN的目標阻抗通常需要根據器件工作電流、噪聲容限等參數確定;根據器件中最大工作電流附近估算的目標阻抗只適用于中低頻的分析,高頻的目標阻抗需要較為準確的器件工作時的電流模型進行計算;從目前的發展來看,芯片的工作電壓越來越低,最大電流越來越大,因此核心電源的目標阻抗越來越小。
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