PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第298页
282 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 频率 时 ， 在它 们 的自谐 振 频率 上 ， 可 提 供 较 低 的阻 抗 。 小容 量电 容 器 在最 高频率 时提 供低 阻 抗 。 可 是 ， 当我 们使 用 实 际的 ESR 值 时 ， 可以发 现 最小 阻 抗 值与 3 个 相 同 的电 容 器 情 况 相 比 ， 不 是如此 之低 。 相 同 容 量电 容 器 的 争 论 似乎 …
第
8
章
PDN
生态学
281
图
8-37
从芯片焊盘看到的两种阻抗曲线的比较
，
一种是单个
10*F
电容器
，
另一种是
50
个
相同的
10/F
电容器
。
具有
50
个
MLCC
电容器与具有短路印制板的固有
Bandini
山有
相同的阻抗曲线
50
个
MLCC
电容器中
，
每个有
InH
的安装电感
，
它们的并联等效电感为
20pH
,
这比
250PH
的封装引线电感低得多
。
这些电容器的作用是短路大容量电容器两端
，
从芯片焊盘
看到的阻抗曲线有相同的固有
Bandini
山
。
它已被片上电容和封装引线电感所限制
。
如果一个电容器的容量已被优化
，
则
加入更多相同的电容器一般是有较高的峰
值阻抗
。
在这个高
Q
因子的例子中
，
由于
电容器
ESR
的阻尼
，
某些峰值高度会降
低
。
较多电容器并联意味着有较低的
ESR
和较小的阻尼
，
结果可能是有较高的峰值
阻抗
。
这意味着一个优化的电容器甚至比
50
个相同的优化电容器有较低的峰值高
度
，
如图
8-38
所示
。
当你只选择一种
MLCC
电容器时
，
并不是电容器越多越好
。
与选择单个优化
过的电容器相比
，
越来越多的电容器通常
会导致更高的峰值阻抗
、
更糟糕的选择
，
或者是更昂贵
。
加入更多的电容器对
Bandini
山没有影响
，
因为
图
8-38
一个优化的
MLCC
电容器和
50
个相同电容
器的影响
。
多了反而不好
8.
17
在印制板上使用
3
个不同数值的
MLCC
电容器
我们常在应用指南上面看到
，
在每个电源针上有
3
个不同容量的电容器
，
它们分别是
10
西
、
和
0.14
，
这好于使用相同容量的
3
个电容器
。
当这种推荐被提供时
，
有时为
了证明
，
以比较所有电容器都是
IO
r
F
和
3
种不同容量的阻抗曲线
，
如图
8-39
所示
。
在低频
，
3
个
lOptF
的电容器有较低的阻抗
。
在高频
，
3
个电容器有相同的
ESL,
它们
有相同的阻抗
。
中频范围的阻抗曲线稍微不同
，
对
PDN
而言哪一个较好
？
关于
3
种不同的电容器哪种好的争论有时似乎是这样
：
3
种不同容量的电容器在较高
282
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
频率时
，
在它们的自谐振频率上
，
可提供较低的阻抗
。
小容量电容器在最高频率时提供低
阻抗
。
可是
，
当我们使用实际的
ESR
值时
，
可以发现最小阻抗值与
3
个相同的电容器情况
相比
，
不是如此之低
。
相同容量电容器的争论似乎是这样
的
：
单个电容器的阻抗
，
在
SRF
时是最
低的
，
因为对于电感它是全部
。
在高频,
3
个电容器事实上是
3
个电感器
，
所以不
管它们的电容如何都是没关系的
。
较低的
阻抗总是较好的
，
单个电容器有较低的阻
抗
，
因而较好
。
电容器的容量如何挑选对
PDN
才是
真正好的
？
阅读本书到现在
，
正如我们已经看到
的
，
在一定频带内低阻抗是不重要的
。
低
的
PDN
阻抗实际上是有害的
，
如果它们
引起其他的并联阻抗峰值突然出现在没有
阻尼的区域
。
真实的性能指标是这个峰值
图
8-39
3
个电容器两种设置的阻抗曲线
，
每个有
相同的
2nH
的
ESL
。
一种设置是有相同的
IO
r
F
电容
。
另一种设置是
3
个不同的容
量
，
IO
r
H
、
I
r
H
和
0.
I
r
H
。
每个电容器
的
ESR
根据容量而调整
。
哪一个比较好
阻抗
，
并且通常具有最大的
Bandini
山峰
。
哪一个电容器的组合提供最小的
Bandini
山峰阻抗
？
为此
，
我们需要在电路仿真中包含片
上电容和封装电感
。
提示
PDN
设计中如何得到低的阻抗是不重要的
，
所关心的应是阻抗峰有多高
。
对这
个问题的回答
，
对于
“
哪一种分布是较好的
？
”
唯一答案是
，
我们是否知道哪种具
有完整
PDN
系统的组合可提供较低的峰值阻抗
。
多个电容器与封装引线电感
、
片上去耦电容器
、
VRM
和大容量电容器并联的分析是
复杂的
。
电容器之间以及所有电容器和封装引线电感之间会发生相互作用
。
提示
当印制板上加入更多的
MLCC
电容器后
，
与无
MLCC
电容器相比较时
，
来自
VRM
、
大容量电容器
、
片上电容的峰值阻抗通常会降低
。
大部分原因是
MLCC
电容器的安装电感与大容量电容器安装电感的并联降低了阻抗峰
。
这与电容器
容量的大小粗略地说是不相关的
。
不知道系统其余部分的详情
，
而指出什么样的组合较好是不可能的
。
除非仔细挑选电
容器的容量
，
但它们还没有机会优化
。
印制板上额外的电容器可以减小从芯片看到的回路电感
，
因为电感是并联的
。
这通常
降低了峰值阻抗
，
某些电容器的组合好于其他的
，
因为它们提供的阻尼不一样
，
并且与峰
的相互作用不一样
。
第
8
章
PDN
生态学
283
图
8-40
所示为示例的仿真阻抗曲线
，
这个例子是
3
个电容器的组合与单独大容量电容
器和峰值被短路之间的比较
。
3
个不同值的峰值阻抗稍微低于
3
个相同电容器的
，
因为小
容量电容器有更高的
ESR,
它们对高
q
因子
Bandini
山提供印制板级的阻尼
。
阻抗曲线接近短路
Bandini
山的情况
，
并联的
3
个电容器有
300pH
的
ESL,
这与
250PH
的封装引线电感具有可比性
。
并联的电容器越多
，
越接近印制板级短路的情况
。
电
容器的每个组合具有相同的风险
。
频率
（
Hz
）
图
8-40
对于相同的
PDN
系统
，
具有
3
个
MLCC
电容器的两种组合的阻抗曲线
，
相同的电
容器都是
10
〃
F,
另外一组的电容为
IO
r
F
、
I
r
F
和
0.
I
u
F
。
注意
：
3
个不同值的有
稍微低的峰值
，
小电容器有较高的
ESR
哪一个阻抗曲线比较好
？
如果瞬时
PDN
电流很小
，
或者大的电流中有频率分量接近
2MHz,
那么这两种电容器的选择恰恰是好的
。
事实上
，
没有电容器可以工作得很好
。
但
是
，
如果存在频率分量为
30
MHz
的大瞬态电流
，
则两种组合的电容器同样效果不好
。
假
如没有电容器
，
则实际上可能效果会更好
。
提示
选择
3
个电容器时
，
使用相同的或者
3
个不同的完全是任意的
。
若关于印制板
的其余部分没有任何信息
，
两种选择都好于无电容器
，
但是具有相同的风险,
二者都不提供鲁棒性
PDN
的希望
。
事实上
，
加入具有固定容量的更多的电容器仅使印制板可以更多地看见对
Bandini
山
峰值频率的理想短路
。
图
8-41
所示为具有
100
个电容器的仿真阻抗曲线
，
一种为所有电容
器都是
IO
r
F,
另外一种是
33
个
IO
r
F
、
33
个
14
、
34
个
0.
"F
。
除了阻抗曲线无差别外
，
它们非常靠近印制板短路的极限情况
。
究竟我们使用相同的还是不同的数值
，
或者究竟我们使用
3
个电容器还是
300
个电容
器
？
如果我们任意选择它们
，
则
PDN
永远不能好于印制板被理想短路的情况
，
并在
Bandini
山显示出大的仿真阻抗
。
正如在印制板上放置更多的电容器对
Bandini
山峰没有影
响
。
PDN
没有鲁棒性
，
产品也非常昂贵
。