【導(dǎo)讀】承前:從過濾水的流程來看電源濾波的指導(dǎo)思想,及引出電源供電網(wǎng)絡(luò)軌道PDN。本節(jié):從PDN的角度,看看濾波電容在電源噪聲濾除時(shí)起到什么作用,同時(shí)討論下電容的特性,諧振頻率,安裝電感等。
承前:從過濾水的流程來看電源濾波的指導(dǎo)思想,及引出電源供電網(wǎng)絡(luò)軌道PDN。
本節(jié):從PDN的角度,看看濾波電容在電源噪聲濾除時(shí)起到什么作用,同時(shí)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(jìn)入芯片管腳”的最后一篇,換個(gè)方式,先來開門見山,亮出觀點(diǎn)和結(jié)論,再逐一解釋:
1、隨著系統(tǒng)工作頻率的提升,PDN噪聲對應(yīng)的頻段也在提高
2、濾波電容的諧振頻率點(diǎn)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(diǎn)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(nèi)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(shí)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(diǎn)以及安裝電感的評估。
圖1是一個(gè)Murata 0402封裝,0.1uf電容的參數(shù),諧振頻率25M左右
圖1
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圖2是把電容安裝到一個(gè)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
圖2
通過簡單的計(jì)算,我們就可以評估出電容的安裝電感。
電容諧振頻率的計(jì)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。
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從圖3可以看出,電容在諧振頻率點(diǎn)之后呈現(xiàn)感性,電容起作用的頻率范圍不會(huì)超過諧振頻率點(diǎn)的2~3倍。
第三條,板級更高頻率的噪聲怎么辦?多層板設(shè)計(jì)時(shí)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(tuán)隊(duì)在研究埋容設(shè)計(jì)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(lán)色
能看到平板電容諧振頻率點(diǎn)較高,一般在200M以上,能有效應(yīng)對幾百兆的高頻電源噪聲。
圖4
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第四條,封裝電容和Die電容這里不做太多描述,只給出一個(gè)實(shí)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(jìn)入芯片之后被Die電容濾除。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮這個(gè)頻段以上的濾波。
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圖5
“鐵路工人,各管一段”,濾波電容作為PDN的一個(gè)組成部分,只涵蓋了部分頻段的濾波效果。設(shè)計(jì)的時(shí)候,不需要特別指定電源必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳。因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)往往會(huì)增加整體的安裝電感,反而影響濾波效果。
關(guān)于濾波電容正確的Fan out方式,會(huì)在高速先生其他系列的文章里面進(jìn)行討論,敬請期待。