PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第286页
270 PD N 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…
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)
第
8
章
PDN
生态学
271
/Bandini
CMH
z
]
=
__________
159
，
CoDc[nF]
义
Lpackage[nH]
二
一
=
45MHz
，
50nF
义
0.
25nH
(8-67)
q
因子
=
/
X
yCbocCnF]
X
Lpa
ckage
LnH]
=
焉
X
，
因
X
0.
25
=
14
(8-68)
U.
zSO
U.
4
3
Zpeak
=
q
因子
X
Z°
=
Lp*gf
切
=
好|
=
1
。
（
8
-
69
）
0.
Zb
0.
Zb
特性阻抗为
71m
。
，
在非常好的情况下
，
所有的阻抗峰低于
71m
。
是不可能的
。
实际上,
工程上使峰值阻抗低于二倍特性阻抗即可
。
这意味着
：
在最好的条件下
，
能达到
150
mQ
的
目标阻抗是可能的
。
在这个例子中
，
印制板元件的组成如
下所示
。
腔体厚度
：
lOmil.
腔体的
Dk
：
4.3
、
腔体尺寸
：
5inX5in
、
腔体电容
：
2.
4nF
、
从中心探测
。
VRM
电感
：
10nH
、
VRM
电阻
：
1m
。
。
一个大容量去耦电容器的参数是
，
大
容量电容器的容量
：
IOO
r
F
、
每个大容量
电容器的安装电感
：
5nH
、
每个大容量电
容器的
ESR
：
5m
。
。
图
8-
29
所示为印制板被短路时的
Bandini
山阻抗和由此得到的从芯片焊盘看
到的具有
VRM
、
大容量电容器和腔体的
阻抗曲线
。
正如预期的那样
，
当印制板用
1
。
短
.
路时
，
Bandini
山峰值阻抗发生在
45MHz
处
。
印制板加入元件到
PDN
系统后
，
在
10MHz
处留下了巨大的
Bandini
山作为
1E4
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
1E10
频率
（
Hz
）
图
8-29
印制板级的电路模型和由此得到的从芯片
焊盘看的封装加入了短路印制板
，
印制板
具有
VRM
、
大容量电容器和腔体的阻抗曲
线
。
模型
（
顶部
）
包含
VRM
、
大容量电容
器
、
腔体电容
、
封装引线电感和片上电容
PDN
中占优势的特性
。
电路模型表示
VRM
是与大容量电容器并联的
，
ODC
是与封装引线电感和
VRM/
大容
量电容器串联组合后并联的
。
这强调了电路元件的组合是如何对峰值阻抗做贡献的
。
当封装芯片附加到印制板系统后
，
我们估算的峰值阻抗为
：
这个值接近仿真的峰值阻抗
9.
60
。
，
这是非常高的阻抗
。
Zpeak
=
q
因子
X
=
X
iSoK
(
L
vrm
1
Lbuik
+
Lpkg
)
\
CoDC
+
Ccavity
)
_
1
x
Im
。
||
5m
。
+
5m
。
1^4nH
+
0.
25nH
10
+
5
=
ion
(8-70)
50
+
9.
76nF
j