PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第301页
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…
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
286
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
容器的容量和数量并产生接近目标阻抗的平坦阻抗曲线
，
起阻尼
Bandini
山的作用
。
由于
平坦阻抗数值太小
，
所以没有足够的阻尼电阻来降低
Bandini
山的高
q
因子
，
电容器对阻
抗曲线没有影响
。
平坦阻抗数值太大时
，
峰值不能低于这个阻抗
。
3
.
当
Bandini
山有低的
q
因子时
，
一般当峰值频率高于
200MHz
时
，
这样的
Bandini
山对印制板面的损耗不灵敏
，
电容器的容量在降低
Bandini
山峰值阻抗方面没有大的影响
。
使用足够的电容器以保持印制板面的电感小于封装引线电感
，
是很重要的
。
提示
FDTIM
的目标是优化电容器的容量和数量
，
使峰值低于目标阻抗的平坦阻抗
。
我们能使用包含电容器
ESR
的简单工序来完成这种选择
，
使用电路仿真进行人
工优化或者自动优化
。
选择电容器的第一步是估算由片上电容和封装引线电感构成的
Bandini
山的特性阻抗
和
q
因子
。
之后
，
为印制板短路设置最低可实现的
PDN
阻抗
。
当然
，
如果
Bandini
山的特性阻抗比目标阻抗不是小得多
，
则无电容器的组合能使
Bandini
山低于目标阻抗
。
在这种情况下
，
实现具有鲁棒性
PDN
设计的仅有方法是
：
1
.
增加片上去耦电容器
。
2
.
减小封装引线电感
。
3
.加入封装上的电容器
。
例如
，
如果片上去耦电容器是
50nF,
封装引线电感是
0.25nH,
则特性阻抗为
：
Zo=
TS
=
/W
=
71mn
⑶
86)
最低可能的目标阻抗是能实现的绝对最好的阻抗
，
它是
0.071
。
。
原理上使用优化的电
容器是可能实现二倍特性阻抗的目标阻抗
，
或者是
0.15
。
。
第二步是尽一切可能来减小所有
MLCC
电容器的安装电感
。
所有电容器的安装电感并
联组合后
，
与腔体分布电感串联
，
然后再与封装引线电感串联
。
使用前面的两个条件估算电容器的数量
：
m
>
27t/max_iim
X
X
ESL
cap
=
27rx
0.
2GHz
X
白
X
1
=
13
(8-87)
Z
target
1
W2
>
ESRcap
=
1
=
4
(8-88)
Lpackage
乙
2
当
MLCC
等效电感是与封装引线电感可相比较或者比它小时
，
额外的电容器不会减小
与片上电容器的串联电感
，
更多的电容器对
Bandini
山影响很小
。
这样就设置了能引起差
别的最少数量的限制
。
最小数量是它们的并联电感等于封装引线电感与任何分布电感串联
时的数值
。
比最小数量更多的是裕度影响
，
被封装引线电感所限制
。
极端情况可能为
：
/max
Hm
=
200MHz=0.
2GHz
、
Ztarget
=0
・
001
。
、
ESR
cap
=
2nH
0
这种情况下电容器的最小数量是
：
"
min
>
27t/max„iim
X
/
—
ESLcap
=
2
兀
X
0.
2GHz
X
1
2nH
=
2500
(8-
89)
target
UU1