PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第300页
284 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 ADS 1E2 1E1 值 的电 4 耳 1E-1 屈 1E- 2 1E-3 二 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 1E9 1E10 频率 (H z) 图 8-41 100 个 电 容 器 附 加 在 PDN 系统 上 的阻 抗曲 线 ， 它有 二 种组 合 ： 所有 都 是 IO r F 和具 有 IO r F 、 1/F 和 0. I …
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
。
284
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
ADS
1E2
1E1
值的电
4
耳
1E-1
屈
1E-2
1E-3
二
1E4
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
1E10
频率
(Hz)
图
8-41
100
个电容器附加在
PDN
系统上的阻抗曲线
，
它有二种组合
：
所有都是
IO
r
F
和具
有
IO
r
F
、
1/F
和
0.
I
r
F
三种值的
。
每种组合都具有完全相同的短路
Bandini
山
8.
18
优化
3
个电容器的数值
在
&
16
节的例子中
，
使用了一种容量的电容器
。
如果电容器的容量和数量被优化
，
则可得
到最低的峰值阻抗
。
当只使用一个电容器时,
此
，
电容器的安装电感达到了实际上的最低,
当使用
3
个电容器时
，
每个具有不同
的容量
，
我们能找到优化组合
。
使用简单
的
SPICE
电路手工试验组合
，
得到优化
数值为
lOOOnF
、
60nF
和
20nF
以给出峰
值高度小于
0
・
3
。
。
图
8-42
给出了使用
3
个相同电容器和
3
个不同的电容器时的优
化阻抗曲线
。
这个例子清楚地说明
：
优化电容器的
电源降低了
PDN
中的峰值阻抗
。
在完整
PDN
系统中使用
3
个优化的电容器
，
峰
值阻抗从
10
。
降低到
0
・
25
。
。
这样与高阻
抗相联系的风险也降低
。
这是使用
3
个优化的电容器实现比印
制板理想短路具有更低峰值阻抗的例子
。
这是由于印制板级的阻尼贡献是由较小容
量的
MLCC
电容器所提供的
，
它降低了
在这个例子中
，
峰值阻抗从
10
。
降低到
0
・
9
。
。
为
并选择电容器的
SRF
接近
Bandini
山峰
。
图
8-42
具有优化电容器的
PDN
系统的阻抗曲线,
3
个有相同的容量和
3
个有不同的容量
。
没
有
MLCC
电容器时
，
峰值阻抗是
10Q
。
使
用
3
个相同的优化的
MLCC
电容器
，
峰值
降低为
0.8
。
。
使用
3
个不同的优化的电容
器
，
峰值阻抗降低为
0
・
25
。
Bandini
山的
q
因子
。
在这个例子中
，
Bandini
山的特性阻抗是
0.
07
。
，
它的固有
q
因子是
14,
加入电容器后峰值阻抗降低到
0
・
25
。
，
对应的
q
因子大约为
3
・
5
。
提示
使用
3
个优化的电容器戏剧性地降低了峰值阻抗
。
这需要基于
PDN
系统的所有
特性
，
并仔细地选择
。
若没有总的系统知识来选择优化值是困难的
。
第
8
章
PDN
生态学
285
观察
3
个不同的电容器
，
和安装在
PDN
系统的阻抗曲线是件有兴趣的事
。
图
8-43
显
示了这种比较
。
图
8-43
3
个电容器组合安装在
PDN
（
点线
）
的阻抗和
3
个电容器单独安装的阻抗之间的比较
从这些例子我们看到了电源的优化
。
电容器的优化值非常依赖片上去耦电容
、
封装引
线电感和每个电容器的
ESL
。
如果这些参数中的任何一个发生改变
，
电容器的容量不再是
被优化的
，
则会有较大的峰值阻抗
。
提示
使用
3
个不同容量的电容器优化的电容值的唯一方法是我们要知道
Bandini
山的
详情和电容器的模型
，
但通常缺乏这些详情信息
，
这就是使用一个数值或者
3
个数值进行优化是如此困难的原因
。
这个方法指出
：
为降低
Bandini
山峰值高度而优化电容器容量是可能的
，
但是只有知
道所有系统的详情才有可能
。
提示
如果我们要惹优化
MLCC
电容器值这个麻烦
，
为什么限制仅用
3
个不同的值呢
？
首先
，
当
Bandini
山是高
q
因子时
，
我们需要印制板在峰值阻抗以外对阻尼贡献损耗
。
印制板面的
MLCC
电容器的阻抗曲线
，
在
Bandini
山附近应该是阻性的且等于目标阻抗
。
其次
，
我们进一步优化电容器的容量和数量
，
使用电路仿真来实现这个选择以降低
Bandini
山峰值高度
。
这是为
PDN
优化电容器容量选择频域目标阻抗法
（
FDTIM
）
的基础
。
8.
19
选择电容值和最小电容器数目的频域目标阻抗法
FDTIM[9]
的原理是以
3
个重要的指导方针为基础的
：
1
.
使印制板上总的等效电感低于封装引线电感
，
选择最少数量的电容器
。
结果就是基
于片上电容和封装引线电感的
Bandini
山
。
2
.
当
Bandini
山有高
q
因子时
，
这通常会发生
，
当峰值频率小于
200MHz
时
，
选择电