PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第305页

第 8 章 PD N 生 态学 289 小 电 容 器 的 数 量 来增 加 它 们 的 峰 值 阻 抗 ， 使 它 们 靠近目 标 值 是 不可 能的 。 当我 们 把 这 16 个 电 容 器加入到 完 全 的 PDN 系统 中 ， 它 们 的 平坦 阻 抗 阻 尼 了 高 q 因子 的 Bandini 山 ， 使 峰 值 阻 抗 降 低 。 图 8 - 45 显 示 了 这 样 的阻 抗曲 线 。 在 这 个例 子 中 ， 我 们…

100%1 / 453
288
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
电容器的
ESR
和那个值的电容器数量有关
。
我们利用式
（
8-93
）
估算电容器的最小阻抗低于
目标阻抗时的电容器数量
：
Ztarget
=
空用组或者
H
cap
=
第四
（
8
-
93
）
"cap
乙
target
这是对每个容量选择数量的好的近似起始点
。
在低目标阻抗时
，
它工作得很好
，
但是
对较高目标阻抗就不那么有效了
。
提示
基于最小阻抗低于目标阻抗的自动选取电容器数量是很容易的
，
结果是阻抗曲
线稍微高于目标阻抗
。
若选择目标阻抗稍微低于要求的阻抗
，
则会得到有鲁棒
性的阻抗曲线
。
例如
，
如果每个电容器的
ESL
是
InH,
最大频率是
200MHz,
目标阻抗是
0.
1
。
，
我
们估算电容器的总数量为
13
。
当目标阻抗很高
，
或总的电容器数量是
13
这个量级
，
从
22ptF
〜
InF,
对于每一个容量
的电容器都是没有可利用的
。
较大容量的电容器
，
对高
q
因子的
Bandini
山不贡献阻尼,
只能选择每
10
年一个容量值
。
使用简单的
SPICE
电路
，
仿真很多电容器并联的阻抗曲线
。
我们优化数量和容量
，
在
1
〜
200MHz
的附近
，
给出了低于
0
・
1
。
的平坦阻抗
。
低于
1MHz
时
，
大容量电容器使
PDN
阻抗降低
。
高于
200MHz
时
，
片上电容器使阻抗曲线下降
。
我们使用下列电容器的容
量和数量
：
22
好
0
10
m
F
0
4.
7
pF
0
2.
2
m
F
0
1
m
F
1
470nF
0
220nF
0
lOOnF
1
47nF
1
22nF
1
lOnF
2
4.
7
nF
2
2.
2
nF
3
InF
5
总数
16
这个数接近估计的电容器数量
13
。
图
8-44
所示为这些电容器的阻抗曲线
，
它们的等
效串联电感和电阻
。
注意
：
它们稍微低于目标阻抗由于电容器的离散性
，
所以靠减
第
8
章
PDN
生态学
289
小电容器的数量来增加它们的峰值阻抗
，
使它们靠近目标值是不可能的
。
当我们把这
16
个电容器加入到完全的
PDN
系统中
，
它们的平坦阻抗阻尼了高
q
因子
的
Bandini
山
，
使峰值阻抗降低
。
图
8
-
45
显示了这样的阻抗曲线
。
在这个例子中
，
我们增
加了隔直去耦电容器
，
提供低频时的低阻抗
。
若没有
MLCC
电容器
，
印制板面的峰值阻抗
是
3
。
。
使用这种电容器容量分布
，
峰值阻抗下降到
0.2
。
，
接近
0.
15
。
的实际极限
。
ADS1E2
(
C
)
坞 段
1E9
1E10
频率
（
Hz
）
图
8-45
由
FDTIM
选择的
16
个电容器占附在
PDN
系统的其余部分上的仿真阻抗曲
线
，
显示峰值阻抗为
0.2
。
图
8-44
16
个不同容量分布的电容器的仿真阻
抗曲线
，
它们在
1
〜
200MHz
范围有
平坦的阻抗曲线
FDTIM
的优势在于不用知道
Bandini
山的详情就可选择电容器容量的分布
。
如
果
16
个电容器的电容值都是
lOptF,
则在
印制板上
，
最好情况是使印制板看起来短
路
，
阻抗曲线就是片上电容和封装引线电
感的
Bandini
山
，
它的峰值高度为
1
。
。
使
用
FDTIM
使峰值下降
。
图
8-46
所示为由
FDTIM
选择的
16
个电容器和
16
个都是
10*F
电容器之间的比较
。
当
Bandini
山的
q
因子很低
，
且峰值
频率接近
200MHz
时
，
电容器选择的影响
较小
，
峰值阻抗对电容器容量不敏感
。
1E4
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
1E10
频率
（
Hz
）
图
8-46
16X10
m
F
电容器和由
FDTIM
选择的
16
个
电容器附加到
PDN
系统后的阻抗曲线
8.21
当片上电容是大的和封装引线电感小的时候
本节我们讨论较高的功率器件
，
它带有很大的片上电容和非常低的封装引线电感
。
这
个条件是
：
片上电容
=
400nF
、
封装引线电感器
=
0.0025nH
、
片上
ESR=0.
25/400=0.
6m
。
。
Bandini
山的固有特性是
：
Z
。
［
。
卜
71^3
=
=
2.
5m,
<8-
94
）
290
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
/Bandini
[
MHz]
=
=
•
…
二
/CoDc[nF]
X
—
package[nH]
，
400nF
X
O.
OO25nH
=
160MHz
(8-95)
q
因子
=
X
yCoDcEnF]
X
L
pac
ka
g
e[nH]
=
X
，
400
X
0.
0025
=
4
(8-96)
0.
Z5
Zpeak
=
q
因子
X
Z
。
=
Lpac
河严
=
喏答
=
lOmH
(8
-
97)
u
•乙
。
u
•乙
。
如果这个器件被安装在印制板上
，
这个电路板有很多电容器用于理想短路
，
Bandini
山
的峰值阻抗为
10m
。
，
特性阻抗为
2.
5m
。
。
峰值阻抗降低要低于
5m
。
是困难的
，
因为这需
要
q
因子小于
2
。
如果目标阻抗是
5mO,
则
VRM
的输出阻抗需要不大于
1
m
。
。
我们假设反馈环路的
有效输出电感为
3nH,
这需要隔直去耦电容器至少为
：
Cbulk
〉
■
2
tt
L
vrm
VRM-max
X
Zta
rget
2
冗
Zt
arget
义
Ztarget
L
vrm
^target
3nH
0.
005
2
=
120
m
F
(8-98)
1
对于
VRM,
我们加入具有下述特性的大容量电容器
。
每个大容量去耦电容器
：
200
m
F
大容量去耦电容器
ESR
：
5
m
。
去耦电容器的安装电感
：
5nH
VRM
电感
：
3nH
VRM
电阻
：
Im
。
图
8-47
所示为短路
Bandini
山和印制
板级
PDN
系统的阻抗曲线
。
Bandini
山的
估算峰值阻抗为
10
m
。
，
这与仿真数值非
常匹配
，
估算的
160MHz
也是如此
。
印制板级的
MLCC
电容器要使
30
的
仿真阻抗尽可能地靠近最终的实际限制
5
m
。
，
或者是可接受的低阻抗值
。
我们可根据前面引入的两个条件来估
算需要的电容器数量
：
图
8-47
印制板级
PDN
系统和短路
Bandini
山的阻
抗曲线
〉
21t/max
lim
X
另
—
ESLcap
△
target
=
2
k
X
0.
2GHz
X
5
=
125
(8-
99)
0.
005
九
2
>
ESRcap
Lpackage
0.
5
0.
0025
=200
(8-100)
哪一个条件都需要许多电容器
。
即使可满足所需的数量
，
但是要费力地处理
0.5nH
的
安装电感
。
图
8-48
所示为选择
200
个相同的电容器
，
每个为
I
r
F
或
IO
r
F
。
它们的阻抗曲