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        PCB設計誤區:電源是否必須從濾波電容進入芯片管腳(終結篇)

        發布時間:2015-02-18 來源:吳均 一博科技 責任編輯:sherryyu

        【導讀】承前:從過濾水的流程來看電源濾波的指導思想,及引出電源供電網絡軌道PDN。本節:從PDN的角度,看看濾波電容在電源噪聲濾除時起到什么作用,同時討論下電容的特性,諧振頻率,安裝電感等。
         
        PCB設計誤區:電源是否必須從濾波電容進入芯片管腳(1)?
        http://www.joehorizon.com/power-art/80025304
        PCB設計誤區:電源是否必須從濾波電容進入芯片管腳(2)
        http://www.joehorizon.com/power-art/80025353
         
        承前:從過濾水的流程來看電源濾波的指導思想,及引出電源供電網絡軌道PDN。
         
        本節:從PDN的角度,看看濾波電容在電源噪聲濾除時起到什么作用,同時討論下電容的特性,諧振頻率,安裝電感等。
         
        這一篇是“電源是不是必須從濾波電容進入芯片管腳”的最后一篇,換個方式,先來開門見山,亮出觀點和結論,再逐一解釋:
         
        1、隨著系統工作頻率的提升,PDN噪聲對應的頻段也在提高
         
        2、濾波電容的諧振頻率點變化不大,比如說,常見的0.1uf的電容,考慮了安裝電感之后,諧振頻率點基本都在10~15M之間,濾除噪聲的作用范圍有限
         
        3、隨著多層板的普及,平板電容在板級扮演著高頻電容的角色
         
        4、封裝內電容和Die電容,對高頻噪聲起決定作用
         
        第一條不需要解釋,我們從頻域來考慮PDN問題的時候,噪聲的頻譜分布范圍最好能覆蓋到信號的截止頻率。
         
        第二條,我們來看看常見電容的諧振頻率點以及安裝電感的評估。
         
        圖1是一個Murata 0402封裝,0.1uf電容的參數,諧振頻率25M左右
        一個Murata 0402封裝,0.1uf電容的參數
        圖1
        [page]

        圖2是把電容安裝到一個6層板上面,層疊如左圖所示,4、5層是電源地平面對,右圖是安裝之后仿真的諧振頻率,大約是10M左右
        電容安裝到一個6層板上面
        電容諧振頻率的計算公式:
        圖2
         
        通過簡單的計算,我們就可以評估出電容的安裝電感。
         
        電容諧振頻率的計算公式:


        安裝之后的諧振頻率為10.1427 MHZ,假定電容值不變,這樣反推出來電感為2.4597 nH,本例中安裝電感大小約為2.07nH。
        [page]

        從圖3可以看出,電容在諧振頻率點之后呈現感性,電容起作用的頻率范圍不會超過諧振頻率點的2~3倍。
        第三條,板級更高頻率的噪聲怎么辦?多層板設計時注意電源地之間緊耦合,可以成為更加高頻的平板間電容。
         
        圖4是2013年高速先生團隊在研究埋容設計的案例,給出了幾種不同電源地間距的平板阻抗曲線:
         
        電源地間距28.31mil,電源地耦合較差,波形為紅色
         
        電源地間距4.2mil,增加電源地耦合,波形為綠色
         
        使用埋容材料3M_C Ply,間距0.56mil,波形為藍色
         
        能看到平板電容諧振頻率點較高,一般在200M以上,能有效應對幾百兆的高頻電源噪聲。
        電容諧振頻率
        圖4
        [page]

        第四條,封裝電容和Die電容這里不做太多描述,只給出一個實際案例,圖5是某芯片,Die電容大小為2071NF。能看到Die電容起作用之后,30M以上的PDN阻抗基本完全被壓下來了。也就是說,30M以上的電源噪聲,進入芯片之后被Die電容濾除。系統設計時不需要考慮這個頻段以上的濾波。
        7
        圖5
         
        “鐵路工人,各管一段”,濾波電容作為PDN的一個組成部分,只涵蓋了部分頻段的濾波效果。設計的時候,不需要特別指定電源必須從濾波電容進入芯片管腳。因為這樣設計往往會增加整體的安裝電感,反而影響濾波效果。
         
        關于濾波電容正確的Fan out方式,會在高速先生其他系列的文章里面進行討論,敬請期待。
         
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