PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第129页
| Chap ter 5 | 第 5 章 实 用 多层 陶瓷片状电 容 器 的集 成 5. 1 使 用电 容 器 的 原 因 电 容 器 是 PDN 生 态 中 的重 要组 成 部 分 ， 可以减 少 VRM 有效性 和 芯片 时 钟 之 间的频 带 阻 抗 。 理 想 电 容 器 的阻 抗 与 频率 成 反 比 ， 公 式如 下 ： Zc = (5-1 ) W C 式 中 ， Zc 是 理 想 电 容 器 的阻 抗 ； s 是 角频率…
112
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
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|
Chapter
5
|
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
5.
1
使用电容器的原因
电容器是
PDN
生态中的重要组成部分
，
可以减少
VRM
有效性和芯片时钟之间的频带
阻抗
。
理想电容器的阻抗与频率成反比
，
公式如下
：
Zc
=
(5-1)
W
C
式中
，
Zc
是理想电容器的阻抗
；
s
是角频率
(rad/s)
；
C
是电容
(
F)
。
举一个简单的例子
，
0.
1*F
的电容器在频
率为
1MHz
时的阻抗约为
1
。
：
1I
=
=
―
-
-
=
--------
1
-------------
in
1
cl
sC
2
k
fC
2
兀
106x10-7
U
(5-2)
图
5-1
为
3
种不同的理想电容器的阻抗
。
从中
可以看出
，
电容越大
，
阻抗越小
。
这表明了在
PDN
中
，
尤其是在高频下,
在电路中加入电容器可以降低阻抗
。
尽管可以
通过加入电容器获得更低的阻抗
，
然而
，
正如
在第
2
章中提到的
，
理想电容器和实际电容器
在性能上存在差异
。
图
5-1
3
种不同理想电容器的阻抗图
提示
乍一看
，
在
PDN
中使用电容器来降低阻抗很有可行性
，
但是由于实际电容器
与理想电容器在性能上存在差异
，
所以实际使用时还是有许多问题
。
实际电
容器的等效串联电感在高频条件下会将其低阻抗转化为高阻抗
，
这会使应用
复杂化
。
我们将充分考虑理想电容器的电容
、
电感和电阻特性来设计
PDN
的阻抗曲线
，它由
单个或组合的电容器构成
。
所以
，
构建一个阻抗曲线精确的电容器模型是设计
PDN
阻抗
曲线的关键
。
114
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
5.2
实际电容器的等效电路模型
仅在频率低于
1MHz
的情况下
，
电路中实际电容器的阻抗特性才会接近理想电容器的
阻抗特性
。
然而
，
在实际设计中
，
我们可以通过理想的
RLC
串联电路准确构建一个实际电
容器模型
。
图
5-2
比较了实际的
0603
多层陶瓷芯片
（
MLCC
）
电容器和理想
RLC
串联电路
模型的测量阻抗
。
(U)
归
逆 爆 珊
IE-2
(
。
)
其
闻
名
轮
100
-100
1E6
1E7
1E8
4E8
频率
（
Hz
）
1E6
1E7
频率
（
Hz
）
1E8
4E8
图
5-2
在测试板上测得的实际
0603
多层陶瓷芯片
（
MLCC
）
电容器的测量阻抗
（
粗线
）
与理想
RLC
串联电路模型的模拟阻抗
（
细线
）
的对比
提示
显然
，
用
3
个理想电路元件就可以将实际电容器的复杂的阻抗特性很好地模拟
出来
。
当提到一个实际电容器的电容时
，
我们描述的是在
RLC
串联电路模型中与实际电容器
特性相匹配的等效理想电容
。
电容器的
ESL
是
RLC
串联电路模型中的等效串联电感
，
它与具体电路中的电容器特
性相匹配
，
并且可以通过特定手段进行测量
。
实际电容器的
ESR
是
RLC
串联电路模型中的等效串联电阻
，
它是与实际电容器特性
相匹配的
。
RLC
串联电路模型可以有效地描述实际电容器
。
而除了传统的
MLCC
电容器以夕卜,
简单的理想
RLC
串联电路模型也可以描述大部分其他类型的电容器
。
图
5-3
所示为固定在
六通孔之间的
X2Y
电容器的测量和仿真阻抗曲线
。
在这种特殊的电容器设计中
，
电容两边的引脚连接电源
，
中间的引脚接地
。
在这种情
况下
，
这个电容器像双端电容器一样与系统相连
。
我们可以看到简单的
RLC
模型的多功能性
，
它与实际电容器的实际测量性能很好地相
匹配
。
我们可以使用
KLC
模型来准确地仿真出实际电容器的性能
，
也可以通过这个模型来
探究功率分配电路中电容器组合的重要性质
。
在本章的末尾
，
我们还将介绍一种更加先进的阻抗模型
，
当与其相连的安装电感远低
于
InH
时
，
它能匹配实际电容器的阻抗属性
。