PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第285页
第 8 章 PDN 生 态学 269 「 L vrm 20nH 匚 八八八 r? c bulk = ^R2= = 5 00° 近 (8-65) 对 于单个 的 MLCC 电 容 器 ， 这 个 容 量绝 对是 非 常大 的 ， 甚至 是 可 怕 的 。 使 用 大容 量的 MLCC 电 容 器作 大容 量电 容 器 是 危 险的 。 它 们不 能 为 VRM 并 联谐 振峰 的 临 界阻 尼提 供 足 够 的 ESR 阻 尼 。 依 赖…
268
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
「
_
L
vrm
Obulk
—
歹
'target
舞
=
2
。
。
好
(8-62)
当附加这个电容器于
VRM
时
，
阻抗曲线在
90kHz
处有一个大的并联峰值阻抗
，
正如
图
8-26
所示
。
图
8-26
VRM
和孤立的大容量电容器的阻抗曲线
，
组合后显示在
90kHz
附近有并联谐振峰
值阻抗
在这个例子中
，
峰值阻抗超过目标阻抗
3
倍
。
虽然这对于鲁棒性
PDN
可能是可接受的
裕度
，
但峰值可能引入一些
VRM
的不稳定性
，
应该降低这个峰
。
这样
，
人为组合
VRM
的电感
、
大容量电容器的电容和电容器的
ESR
。
VRM
的电阻也影响峰值阻抗
，
但是这与
电容器的
ESR
相比
，
影响非常小
。
我们估算例子中并联谐振电路的
q
因子
，
假设
MLCC
电容器为
：
q
因子
=
$XZ
。
=含
？
痣勺=焉义
J
彳喘
=5
(8-63)
l
L
ojlx
J
lzo
J
lx
y
^buik
u.
uu/
v
乙
uu
uuunr
这是用
MLCC
电容器作为大容量电容器的问题
。
大容量电容器的
ESR
是小的
，
结果
是产生欠阻尼并联谐振
。
极端情况是当
MLCC
电容是非常大时
，
所有的阻尼由
VRM
的输出电阻来提供
。
我们
正在估算需要多大的
MLCC
电容容量
，
所以
q
因子为
1
。
临界阻尼的条件是
q
因子
=1
：
1
〜
/L
vrm
七二
_
L
vrm
ESR
X
V
或
CbuIk
-
ESR^
(8-64)
因为这个关系确定了附加
VRM
的大容量电容器的容量
，
所以使用
VRM
的直流输出
阻抗作为并联谐振的临界阻尼源
。
具有
2m
。
直流输出阻抗
、
20nH
有效电感的
VRM,
VRM
的输出电阻作为临界阻尼时
的大容量电容器的容量为
：
第
8
章
PDN
生态学
269
「
L
vrm
20nH
匚
八八八
r?
c
bulk
=
^R2=
=
5
00°
近
(8-65)
对于单个的
MLCC
电容器
，
这个容量绝对是非常大的
，
甚至是可怕的
。
使用大容量的
MLCC
电容器作大容量电容器是危险的
。
它们不能为
VRM
并联谐振峰的临界阻尼提供足
够的
ESR
阻尼
。
依赖
VRM
非常低的直流输出阻抗
，
需要有比
MLCC
电容器能够提供的
更大的容量
。
这指出一般而言
，
使用大容量的陶瓷
MLCC
电容器会产生欠阻尼峰
，
它能大大地超过
目标阻抗
。
提示虽然陶瓷电容器能提供足够的容量来满足第一准则
，
但不能保证并联谐振峰低
于目标阻抗
。
一种变更的解决方法是使用留电容或电解电容作为隔直去耦电容
，
不是因为它们的大
容量
，
而是它们有比较高的
ESR
。
通常
，
电解电容的
ESR
量级为
0
・
02
〜
0
・
1
。
。
选择的电
容器数量的原则是应该使它们的并联等效电阻低于目标阻抗
。
留电容和电解电容的
ESR
非常依赖于它们的体积和型号
，
它们的范围从
5m
。
〜
1
。
。
当然
，
多个相同的电容器并联有更小的
ESR,
减小多少取决于并联电容器的数量
。
应该根
据峰值阻抗来选择
ESR
值
，
使之低于目标阻抗
。
最小条件是
q
因子为
1
时目标阻抗(即特
性阻抗)
，
这意味着目标阻抗就是总的
ESR
。
图
8-27
所示为当我们选择
ESR
等
于目标阻抗时
，
大容量电容器与
VRM
组合后的阻抗曲线
。
随着大容量电容器容量的增力口
，
在
q
因子保持低的情况下
，
PDN
的阻
抗会下降
。
如果
ESR
太高
，
则在大容
量电容器影响
PDN
的频率范围内
，
阻
抗会很高
。
这表明大容量电容器的选择是简
单的代数关系
：
1
.
评估从
VRM
供应商处得到的
图
8-27
当大容量电容器组合的
ESR
等于目标阻抗时
的阻抗曲线
。
注意
：
峰几乎已消失
推荐值
。
2.
3.
4.
5.
6.
确定
VRM
的近似输出电感
。
确定目标阻抗
。
基于式
(8-51)
的估算
，
选择足够的总容量来提供最小大容量电容
。
选择电容器类型和数量
，
使给出的
ESR
等于目标阻抗
。
使更多的电容加入裕度
，
以提供低的
q
因子
。
图
8-28
所示为使用由
ESR=
目标阻抗来选择的隔直电容器和增加的总电容从
100
m
F
增加到
400
r
F
时
，
它们的阻抗曲线
。
比估算值更小的电容会令峰值阻抗太大
，
由于电容太
270
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
小
，
所以
q
因子比较高
。
当根据目标阻抗和
VRM
电感来选择大容量电容时
，
PDN
的阻抗
曲线非常好
。
比较大的电容值仅降低阻抗和
°
因子
，
维持
VRM
稳定
。
图
8-28
大容量电容器改变时的阻抗曲线
，
但
ESR
的选择是根据目标阻抗来匹配的
8.
13
建立
PDN
生态学系统
：
VRM
、
大容量电容器
、
腔体
、
封装和片上电容器
VRM
和大容量电容器的相互作用会典型地发生在
1MHz
以下
。
高于这个频率后
，
大
容量电容器和
VRM
的阻抗看上去像一个电感
。
这个电感值与
VRM
和电容器的电感并联,
电容器中电感的量级为
10nH,
这依赖于详细规格
。
当
VRM
加入印制板
，
印制板并用电源
和地构成的腔体连接到一个封装时
，
这个封装看到的是与
VRM
相联系的电感
。
它将增加
封装引线电感和腔体的分布电感
。
通常
，
将与
VRM
相联系的电感和大容量电容器的电感
进行比较可知
，
分布电感是不重要的
。
从芯片的观点来看
，
腔体看上去好像是与封装引线电感串联的附加电感
。
VRM
电感
和大容量电容器的组合在幅度上典型地是比封装引线电感大一个量级
。
与短路封装引线电感单独比较
，
VRM
、
大容量电容器
、
印制板和封装的等效电感增加
了
Bandini
山的峰值阻抗
，
峰值频率移向低端
。
从片上电容向外看
，
加在芯片焊盘的回路
电感构成了
Bandini
山
。
提示
VRM
的串联电感
、
大容量电容器腔体分布电感和封装引线电感
，
与理想短路的
印制板相比
，
它们大大增加了
Bandini
山的峰
。
为了说明
Bandini
山是如何受到印制板环境的影响和外面能如何处理
MLCC
电容器来
降低峰值阻抗的
，
我们开始一个典型例子
。
片上电容
：
50nF
、
片上电容的
ESR
：
5m
。
、
封装引线电感
：
250pH
o
正如前面所述
，
我们假设片上电阻是与
250Ps
的时间常数一致的
，
片上电阻在阻尼机
理中占据优势
。
如果印制板为理想短路
，
则
Bandini
山固有的
4
个重要指标是
：
Zo
=
/
L
pkg
[nH]
v
C
qdc
[nF]
/
0.
25nH
V
50nF
=
71m
。
(8-66)