PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第295页
第 8 章 PDN 生 态学 279 与 MLCC 的电 感 相 比 ， 封 装 引 线电 感 越 小 ， 凹 坑 频率离 MLCC 的 SRF 越近 。 图 8-35 所 示 为印制 板安 装 单个 0. 16/F MLCC 电 容 器 的阻 抗曲 线 ， 以及仅 是 MLCC 电 容 器和 它 的 安 装电 感 和 ESR 的 固有 阻 抗 。 凹 坑 靠近 但 不 完 全 相 同 。 如果 知道 Bandini 山 的详细 情 况…
278
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
低频峰是由大容量电容器的电感
、
MLCC
的电感
，
大容量电容串联
MLCC
电容后的并
联谐振产生的
。
高频峰是
MLCC
电感
、
峰值电感并联后与片上电容的并联谐振产生
。
加入一个
MLCC
电容器后与不加电容器相比
，
总是能降低
Bandini
山峰值阻抗
。
任何
电容值都可降低峰值阻抗
。
可是
，
某些数值和数量比其他的有更加低的峰值
，
这是因为
MLCC
电容器中
ESL
的加入
，
它与具有
VRM
的印制板并联
，
降低了从片上焊盘看到的等
效电感
。
这也降低了
Bandini
山的特性阻抗
。
提示
在仅具有
VRM
和大容量电容器的印制板上加入任何数值的电容器都可降低峰值
阻抗
，
可是
，
某些电容值降低峰值阻抗比其他的更加有效
。
8.
16
优化单个
MLCC
电容器的数值
在缺乏片上电容的具体容量
、
封装引线电感和大容量电容器特性的情况下
，
就没有办
法来估算附加印制板上的单个
MLCC
电容器的容量
，
以给出最好的性能
。
这就是说应用手
册上推荐附加
10/zF
MLCC
电容器是随意的推荐
，
实际上这是没有基础的
。
提示
应用手册上推荐附加
lOptF
电容器作为去耦电容器
，
通常完全是随意的
。
大一些并不总是好的
，
例如
，
图
8-34
所示为附加于印制板的单个
10*F
电容器和单个
0.16
r
F
电容器的阻抗曲线
。
频率
（
Hz
）
频率
（
Hz
）
图
8-34
印制板安装有
VRM
、
大容量电容器和单个
MLCC
电容器时
，
从芯片焊盘看到的阻
抗曲线
。
左边
：
加入印制板的是单个
10/iF
MLCC
电容器
。
右边
：
加入印制板的是
单个
0.
16*FMLCC
电容器
。
大一些不总是好的
当使用单个电容器时
，
当
MLCC
电容器的
SRF
靠近现存的
Bandini
山峰值频率时
，
产
生最低峰值阻抗的优化数值
。
具有
MLCC
附加阻抗曲线的凹坑不是准确地位于
MLCC
的
固有
SRF
上
。
凹坑频率对应于
MLCC
电容与
MLCC
电感
、
安装电感
、
分布电感
、
封装引
线电感的串联组合的串联谐振
。
一般而言
，
这个频率比仅用
MLCC
的
SRF
稍微低些
。
第
8
章
PDN
生态学
279
与
MLCC
的电感相比
，
封装引线电感越小
，
凹坑频率离
MLCC
的
SRF
越近
。
图
8-35
所示为印制板安装单个
0.
16/F
MLCC
电容器的阻抗曲线
，
以及仅
是
MLCC
电容器和它的安装电感
和
ESR
的固有阻抗
。
凹坑靠近但
不完全相同
。
如果知道
Bandini
山的详细情
况
，
则优化这个单一的
MLCC
电
容器来减小封装阻抗是可能的
。
开
始的目标是调整
MLCC
的
SRF
来
匹配
Bandini
山频率
。
这个条件是
：
/SRF
=
/bandini
(8-81)
这些项是
：
图
8-35
160nF
MLCC
和当其安装到印制板上时的阻抗曲
线
。
注意
：
低阻抗凹坑不是准确地相同
/SRF
=
159MHz
a
/ESL
mlcc
X
C
mlcc
和
f
Bandini
=
159MHz
，
ESLbulkC
X
Con-die
(8-82)
结果是:
159MHz
=
159MHz
，
ESL»MLCC
义
C
m
LCC
V^^^bulkC
X
Con-die
(8-83)
求解
C
mlcc
：
C
mlcc
=
Con-die
X
ESLbuikc
ESL
mlcc
(8-84)
对于
8
・
15
节的印制板例子
，
大容量电容器的安装电感是
5nH,
而
MLCC
电容器的安
装电感是
InH,
片上电容是
50nF
。
估算的优化
MLCC
电容的结果为
：
C
mlcc
=
C
on
.
die
X
需也些
=
50nF
X
普
=
250nF
(8-
85)
ESL
mlcc
InH
最终仿真得到的实际
MLCC
电容
，
如图
8-35
所示
，
它是
160nF,
靠近这个估算数值
。
原理上匹配
MLCC
的
SRF
到
Bandini
山可能会使用其他电容和安装电感的组合
，
乘积
决定
SRF
。
可是
，
需要小心
，
因为
MLCC
电容器的制造容差和安装的几何差别会使准确地
位于
Bandini
山顶部是困难的
。
Bandini
山的频率常常是一个移动目标
，
因为电源门在不同
的使用条件下控制芯片
。
提示
试图使用几个电容器和低
q
的串联谐振来使其位于
Bandini
山顶
，
以给出宽广的
阻抗
，
用高
q
的
SRF
电容器试图达到高
q
谐振峰上一般是不能成功的
。
使用额外的一个
MLCC
电容器来降低峰值高度的另外一个贡献是来自
MLCC
电容器
中比较高的
ESR,
它阻尼了一些并联谐振
。
这个特定的
Bandini
山的
q
因子是
14,
它如此
宽广以至于减小了这个峰值高度
。
这建议指出
：
使用有较大
ESR
但容量较小的电容器可能较好
。
为了使较小电容器的
280
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
SRF
匹配
Bandini
峰
，
安装电感必须增加
。
但是
，
峰值高度的降低首先是与安装电感有关的
，
ESR
对峰值高度的降低最好是二阶
的电容器容量
。
一般的折中宁可使用带来较大影响的有较低电感的电容器
，
而不是使用有
较高
ESR
而较小的电容
。
降低电容器的安装电感是最重要的事情
，
它能改善去耦电容器的
有效性
［
8
，
例如
，
仿真了
InH
和
4nH
两个
ESL
的数值
，
它们具有优化的电容器容量
160nF
和
45nF
o
每个都有相同的自谐振频率
，
而且
，
较低的
MLCC
电感值
，
会产生较低的峰值阻
抗
，
正如图
8-36
所示
。
频率
（
Hz
）
频率
（
Hz
）
图
8-36
两种不同的
MLCC
结构
，
具有相同
SRF
的阻抗曲线
。
有较低电感的
MLCC
会产生
较低的峰值阻抗
再次指出
，
较低的电感是较好的
，
会产生较低的并联谐振峰值阻抗
，
尽管不总是线性
依赖关系
。
在这个例子中
，
峰值阻抗在
InH
时为
0.
84
。
，
4nH
时为
L65
。
。
提示
这个分析支持
PDN
优化的黄金规则
。
较低的安装电感总是较好的
。
作为好的习
惯
，
如果不受限制
，
那么你应该尽力降低电容器的安装电感
。
当受到限制时,
你应该执行分析
，
评估价格-性能的折中
。
较大的电容不总是较好的
，
更多的电容器也不总是较好的
。
任意增加相同容量的电容
器数量
，
不同程度地会影响两个并联谐振峰值
。
更多的
MLCC
电容器增加了总的
MLCC
容量并减小了低频并联谐振峰值高度
。
这是
好事
。
更多的
MLCC
电容器总是减小所有安装电感等效并联组合后的电感
。
这应该降低了较
高频率的并联谐振峰值高度
。
当总的等效电感与封装引线电感在同一量级时
，
进一步增加
MLCC
电容器的数量
，
这对总的串联电感影响很小
。
更多的
MLCC
电容器反而有负面影
响
，
ESR
的并联组合降低了阻尼电阻
，
但可能实际上增加了较高频率的峰值阻抗
。
图
8-37
所示为从芯片焊盘看到的阻抗曲线
，
它展示了具有单个
10/F
电容器和
50
个相
同
lOptFMLCC
电容器的两种情况
。
使用更多的电容器
，
在
700kHz
附近低频峰值戏剧性
地降低了
，
因为总电容增加了
。