電容搞搞”振“,PDN有幫襯
高速先生成員--姜杰
聊電容,不能只聊電容,還要聊電阻和電感??此坪芎唵危鋵?,一點都不難。
因為去耦電容的模型基本都可以用下面三種元素的簡單組合來表示。
理想電容C的阻抗是隨頻率的增加而逐漸減小的一條斜線,實際上由于電容中等效寄生電阻(ESR)和等效寄生電感(ESL)的攪局,問題開始變得復雜。不同的電容自諧振頻點不同,諧振點阻抗各異,濾波頻段也有區(qū)別……
看似很復雜,其實,很簡單。
電容搞搞“振”,第一“振”來自同一電容ESR\ESL\C的串聯(lián)諧振(也叫做自諧振)。
先來看看電容模型的各參數(shù)是如何影響阻抗曲線的。對于電容容值C,不難發(fā)現(xiàn),相同ESR和ESL的情況下,隨著容值的增加,自諧振頻點向低頻移動,同時,濾波頻段也會加寬。
接下來再看哈ESL的影響。在保持其它參數(shù)不變的情況下,隨著ESL的增加,自諧振頻點向低頻移動,同時,濾波頻段也會隨著變小。
需要注意的是,ESR的情況會復雜一些,因為它是一個頻變的參數(shù)。
ESR隨頻率變化的趨勢與該電容的阻抗變化一致。
不過,為了簡化問題,我們這里先把ESR作為一個常數(shù),它的變化對阻抗曲線的影響如下圖。
對比上面幾個圖,我們會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,那就是電容自諧振頻點的ESR基本決定了阻抗的最小值。
以上只是單一容值電容的阻抗曲線。了解PDN阻抗曲線的童鞋會發(fā)現(xiàn)常見情況并非如此,而是像人生一樣總是起起伏伏。
其實,這是容值不同的電容并聯(lián)諧振的結(jié)果,也是本文要說的第二“振”。
分析起來也很簡單,當一個電容的感性區(qū)遇上另一個電容的容性區(qū),諧振峰就出現(xiàn)了。
綜合考慮VRM和芯片內(nèi)去耦,如果說第一“振”決定了阻抗曲線的波谷,第二“振”通常確定了阻抗曲線的波峰。
電容種類這么多,原理圖設(shè)計或者備料出錯的機會大大增加,作為一名設(shè)計攻城獅,希望板子簡單點,精簡一些電容,這個要求并不過分吧?
說干就干,在前文三種電容并聯(lián)的基礎(chǔ)上,去掉100nF的電容,看看會怎樣。
這么看,除了在100nF的去耦頻段出現(xiàn)一個諧振峰,好像也沒什么問題,畢竟,這個峰值也沒那么高。我們繼續(xù)把VRM和芯片內(nèi)去耦模型加上,看全鏈路的情況。
See?高速先生一直強調(diào)的調(diào)整電容要合理真不是嚇唬你。
當然,這個例子只是為了凸顯電容影響而挑選的極端情況。
電容不是老虎屁股,一點摸不得,具體種類和數(shù)量可以通過仿真進行優(yōu)化,是增是減,It depends!
對于電容相關(guān)的電感參數(shù),除了電容自身的ESL,還需要關(guān)注什么?
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