PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第139页
第 5 章 实 用 多层 陶瓷片状电 容 器 的集 成 123 图 5-13 电 子工 业协会 （ EIA ） 为 第 二 类电 容 器 材 料基 于 相 对温度 的电 容 稳 定性 制 定 的 分 类 标 准 最小温度 m 最大温度 川 可 接 受 的电 容 值 变化 范 围 力 X -5 5 c t 2 +45 七 A 上 1.0% Y -30t 4 +65 七 B 士 1.5% Z +10 七 5 +85 1 C ±2.2% 6 …
122
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
这是一个简单的关系
。
在典型电路板中对于一对平行面来说
，
单位面积的电容
(nF/in?)
是
1/
电介质厚度
(mil)
。
例如
，
如果电介质层的宽度为
3mil(
即最薄的)
，
且它不会因为独特的介质材料而产生
额外消耗
，
那么这个电容器每单位面积的电容是
l/3mil
=
0.
3nF/in2
。
一个
10in(lin
=
0.
0254m)
宽的极板一侧拥有的层间总电容为
10in
X
10in
X
0.
3nF/in
2
=
30nF
o
与在极板上
使用一个分离的电容器相比
，
这是一个相对较小的电容值
。
第
6
章讨论了极板的作用
，
它
不是提供高电容而是在封装元件和电容器之间提供低电感
。
提示
设电介质厚度为脑单位是
mil
。
一个电路板里两个平板组成的电容器的单位电
容大约为
1/h
(单位为
nF/in
2
)
o
实际电容器的电容值一般是指定电容的
20%
。
根据使用的不同介质材料
，
电容
可能会
随着电压和温度的变化而发生轻微改变
。
5.7
电容器温度与电压稳定性
使用高介电常数
(Dk)
的电介质材料以及相比印制电
路板参
数更薄的板间宽度
，
我们得
到了高电容密度的
MLCC
电容器
。
这意味着材料中可能有很强的电场
，
一些具有高介电常
数的电介质材料是铁电体并且它有非线性极化率
。
一般来说
，
更强的电场会使介电常数变
小
，
介电常数同样也对温度敏感
。
根据电容对电压和温度的敏感程度
，
电容器可以分为
三类
。
介电材料明确了电容器的
种类和稳定性
。
这些种类如下
所示
。
第一类
：
这类电容器是最稳定的
。
它们通常由镁锯酸组成
，
并且
Dk
值在
20
〜
40
之
间
。
在温度和电压方面
，
Dk
和产生的电容都是稳定的
。
一
种常见的材料名称为
NPO,
它
的电容温度系数小于
30ppm/degK
。
因为
Dk
不是很高
，
所以在
第一类
电容器中想要获得大
的电容值是困难的
。
它们最适合应用在
SRF
需要保
持稳定的滤波器中
。
第二类
：
这类电容器通常用于去耦
，
由
Dk
值在
200
〜
14000
之间的电介质材料制
成
。
这些材料通常是有各种添加剂的钛酸领
，
它们满足了能够在小体积中获得大电容值
的要求
。
但是又因为这些材料自身的铁电性质
，
所
以它们对于温
度和电压有更大的敏
感性
。
第三类
：
这类电容器由具有高有效
Dk
值的材料制成
，
这些材料不
适用于
多层电容器
。
去耦应用中不能使用这一类电容器
。
电子工业协会
(EIA)
已经建立
了一套
简单的描述第
二类电
容器电介质的温度范围和电
容稳定性的标准
。
图
5-13
列举了这个分
类表
。
例如
，
X5R
代表的是稳定电容的一种标准
，
即温度
范围在一
55℃
〜
+
85℃,
电容改变
程度应该在
±15%
以内
。
X7R
标准材料让温度特性延伸到了
+
125℃
。
X5R
和
X7R
材料都
一般用作
MLCC
电容器材料
。
这些指标也与稳定性和电压有着轻微的联系
。
图
5-
14
显示
了对于不同材料
，
电容关于温度变化的典型
例子
。
第
5
章
实用多层陶瓷片状电容器的集成
123
图
5-13
电子工业协会
（
EIA
）
为第二类电容器材
料基于相对温度的电容稳定性制定的
分类标准
最小温度
m
最大温度
川
可接受的电容值
变化范围力
X
-5
5
c
t
2
+45
七
A
上
1.0%
Y
-30t
4
+65
七
B
士
1.5%
Z
+10
七
5
+85
1
C
±2.2%
6
+105
七
D
±3.3%
7
+125t
E
±4.7%
8
+150t
F
士
7.5%
9
+200t
L
+15%/-40%
[2]
P
±10%
R
±15%
S
±22%
T
+22%/-33%
U
+22%
/-56%
V
+22%/-82%
-20
-40
-60
AC/C
0
(%)
0
-80
-50
0
50
100
150
温度
（
七
）
图
5-14
MLCC
中采用不同材料的温度稳定性的
例子
提示
X5R
或
X7R
的电容器指标是指额定电容器的温度变化范围和在这个温度范围内
电容的预期变化量
。
R
指的是额定温度范围内电容预期变化的
±15%
。
通常
，
使用的电压越高
，
板间电场越强
，
Dk
越低
。
也就是说电容值变少了
。
然而
，
不
同厂商的不同电容器即便采用相同的材料仍然会有不同的电压敏感度
,
这意味着对于精确
的电容器模型
，
检查电容器样品中特定产品的规格和性能是很有必要的
。
图
5-15
所示为对
于不同材料测量电压敏感度的例子
。
s
M
褪 超
彼 怔
一
聚合物
Ta
---
聚合物
A1
—
薄膜
—
MLCC
〈
C0G>
------
MLCC<X5R>
—
MLCC<Y5V>
图
5-15
关于不同材料的电压敏感度的例子
124
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
提示额定电压会对电容产生很大的影响
。
选择电容器值
，
并在操作电压下测量它们
。
5.8
多大的电容是足够的
尽管这不是最重要的
，
但这大概是
PDN
分析中最常见的问题了
。
只有在时域
（
包括
VRM
）
里
，
才可以提供合适的解答
。
对于
LDO
（
低压差线性稳压器
）
和
SMPS
（
开关型电
源
）
，
由于大信号转换具有固有的非线性和时变特性
，
所以频域分析并不严格有效
。
我们
应该遵循
VRM
供应商的建议
，
通常选择大容量电容从而为瞬载突变提供良好性能
。
我们
可以用时域分析或频域分析的方法通过遵循一些指导准则去大致估算出一阶
PDN
的板上
最小电容量
。
在频域里
，
极板上总电容的主要作用
是在一个电压调整模块
（
VRM
）
不能得到的
频率上提供低阻抗
。
在这个频率上
，
总电
容应该足够大
，
可使由该阻抗引起的
PDN
阻抗低于目标阻抗
。
正因为它通常是个很
大的电容
，
并且在低频起主要作用
，
所以
它经常被称作大电量电容
。
如果大容量电容太小
，
则在
VRM
不
能提供低阻抗的频率处
，
它的阻抗将超过
目标阻抗
。
图
5-16
对此进行了分析
。
当
VRM
的输出阻抗超过目标阻抗时
，
VRM
的频率限制取决于目标阻抗和
VRM
图
5-16
目标阻抗和
VRM
阻抗显示了对
VRM
和
3
个不同电容器阻抗的限制
内部反馈回路的性质
，
这个频率限制通常为
10kHz
〜
1MHz
。
在此频率下
，
电容器的阻抗
应至少低于目标阻抗
。
我们推导出了使其阻抗低于目标阻抗所需的大容量电容
。
C
b
i
uk
E
:>
2^
VRM
.
max
：
H
z
]XZ
target
（
）
式中
，
/盛是最低频率下的电容值
；
衣瓜法而是
VRM
阻抗超过目标阻抗的频率
；
是
PDN
目标阻抗
。
例如
，
如果目标阻抗是
50mQ,
在
VRM
的输出阻抗超过目标阻抗之前
，
VRM
的最大
可用频率为
10kHz,
则所需最小的大容量电容值大约为
：
Cbulk
>
2nX
10kHz
X0.
05
=
0-
32mF
=
32O
M
F
（
5-17
）
大容量电容可以是一个非常大的值
，
并且通常可以为电解电容器或者锂电容器
。
然
而
，
随着
VRM
反馈回路中频率的增加
，
当输出阻抗超过目标阻抗时频率的增加需要更小
的大容量电容
。
如果所需的大容量电容在
100
〃
F
范围内
，
则陶瓷电容器可以满足这个
需求
。
当然
，
这只是对所需大容量电容最小值粗略的初始估计
。
电容的稳定设计取决于
VRM