PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第309页

第 8 章 PDN 生 态学 293 8.22 使 用 受 控 ESR 电 容 器 是 一 种 替换 的 去 耦策略 PDN 设计 中 重要的目 标是 降 低 Bandini 山 的 峰 值 阻 抗 。 我 们 看 到 ： 实 现的 方法是控 制印 制 板 级的阻 抗 ， 使其 看起 来 像 电阻 器 ， 并 具 有 约 为 目 标 阻 抗 的 平坦 阻 抗 。 使 用 FDTIM, 通过 仔 细选 择 以取 得 可 控 制 阻 抗曲 …

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292
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
8-49
基于最小阻抗低于目标阻抗
0.005
。
，
具
有从
22*F
〜
InF
每
10
年
3
个数值的
135
个电容器的阻抗曲线
，
以水平点线表示
图
8-50
具有
135
个优化电容器容量的印制板
PDN
生态的阻抗曲线
，
其显示的阻抗
曲线满足
5m
。
的目标阻抗
当没有任何
MLCC
电容器时
，
峰值阻抗是
3
。
。
印制板加入
200
个电容器
，
峰值阻抗
下降到了
20m
。
，
连接短路印制板的
Bandini
山的阻抗是
20
m
。
。
这稍微高于印制板加入相
同容量的
MLCC
电容器后的峰值阻抗
，
这是因为它们的并联电感仅与封装引线电感相当,
所以是
Bandini
山电感的二倍
。
当加入
135
个优化分布的电容器于印制板上
，
而且具有平坦的阻抗曲线
，
则在除了低
频的整个频率范围内
，
峰值阻抗的下降低于
5
m
。
。
虽然在印制板上加入许多大容量电容器能快速和戏剧性地减小峰值阻抗值
，
但使用
FDTIM
时若不知道
Bandini
山的详细信息
，
则会使电容器的数量减小而且有更低的峰值阻
抗
。
这种设计更具有鲁棒性
，
价格更低
。
提示
应用
FDTIM
来选择优化的电容器容量
，
会得到比在印制板上加入很多大容量电
容器的价格更低
，
更具鲁棒性的
PDN
。
在
1MHz
的频率范围
，
由
于较低的目标阻抗和仅使用一
个大容量电容器
，
所以阻抗稍
微有点高
。
较大的并联谐振存
在于
VRM
和大容量电容器之
间
。
降低大容量电容器的安装
电感和加入更多的大容量电容
器
，
这种谐振会容易控制
。
图
8-51
所示为大容量电容器的
安装电感从
5nH
减小到
4nH
和
200uF
的电容器从
1
个增加
到
6
个后最终的阻抗曲线
。
图
8-51
使用优化的大容量电容器和
MLCC
电容器的最终
PDN
系
统的阻抗曲线
，
整个频域内的阻抗曲线低于目标阻抗值
第
8
章
PDN
生态学
293
8.22
使用受控
ESR
电容器是一种替换的去耦策略
PDN
设计中重要的目标是降低
Bandini
山的峰值阻抗
。
我们看到
：
实现的方法是控制印
制板级的阻抗
，
使其看起来像电阻器
，
并具有约为目标阻抗的平坦阻抗
。
使用
FDTIM,
通过
仔细选择以取得可控制阻抗曲线
。
另外一种实现平坦阻抗的办法是使用受控
ESR
电容器
。
虽然目前这些电容器的使用不如传统的
MLCC
电容器多
，
但它们能提供重大的性能优
势和在系统中简单地执行
。
典型地
，
对于给定体积尺寸
，
最大电容是标准电容的
1/10
。
为
完成
ESR
的可控
，
电感要高一些
。
由于价格
，
仅少数供应商提供它
。
当前可用的电容器容
量为
1/iF
和具有的电阻为
。
.
1
〜
1
。
。
当受控
ESR
电容器加入到
PDN
系统
中
，
正如仅加入
MLCC
电容器类型那样
，
它们的阻抗是由较高的
ESR
占统治地位
。
阻抗曲线显示为宽而平坦的响应
，
中心在
SRF
0
图
8-52
显示了两个受控
ESR
电容
器
(
I
r
F
和
IO
r
F)
的阻抗曲线
，
两个都具有
2nH
的安装电感和
1
。
的
ESR
O
它们的阻抗曲线独立于电容器的容量
，
在重要的频率范围内是平坦的
。
最为重要
的是要给出最小的安装电感
，
这样才能在
最高的频率范围内都能提供平坦阻抗
。
除了前面的两个条件
，
为估算
MLCC
电容器数量引入第三个条件
，
与之有关
的为
：
图
8-52
两个受控
ESR
电容器的阻抗曲线
，
两个电
容器都具有
1
。
的
ESR,
2nH
的安装电感,
容量为
1RF
和
IO
r
F
。
注意
：
阻抗曲线是平
坦的
，
在典型的
Bandini
山频率范围内
，
它与电容无关
1
.
由于在较高的频率上
，
需要有足够的电容器
，
所以它们的感性阻抗低于目标阻抗
。
2
.
安装在印制板上的电容器的并联组合电感应该小于封装引线电感
，
可是
，
当印制板
电感比封装引线电感小很多时
，
我们达到回报递减点
。
3
.
由于在中频区域
，
需要足够的电容器
，
所以它们的并联电阻接近且低于目标阻抗
。
这些条件是
：
加
＞
27tfmax_lim
X
y
ESL
ca
p
(8~
102)
△
target
九
2＞
簪迪
(8-103)
乙
package
九
3＞
弊吆
(8-104)
△
target
我们考虑
8.15
节介绍的两种情况
。
第一种情况使用下列参数
。
目标阻抗
=0
・
1
。
、
高达
0.2GHz
。
片上电容
：
50nF
、
封装引线电感
：
250pH
、
腔体
：
2.
4nF
o
有多种的
MLCC
电容器
、
MLCC
的
ESR
依赖于电容
、
MLCC
的
ESL
为
InH
。
数量:
294
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
多种的
。
VRM
电感
=
10nH
、
VRM
电阻
=
lm
。
。
大容量电容器
：
200nF
、
大容量电容器
ESL
：
5nH
、
大容量电容器
ESR
：
5m
。
、
数
量
：
1
。
估算
MLCC
电容器数量的
3
个条件
，
假设受控
ESR
电容器的
ESR
为
1
。
，
m
>
27r/max
lim
X
ESL
cap
=
2
兀
X
0.
2
X
工
1
=
13
（
8-105
）
■
/target
0.
1
722
>
詈%
=
』
=
4
（
8-106
）
L
package
U
・
乙
3
心
>
劈四
=
2
=1
。
（
8-107
）
/target
1
在这个例子中
，
不必知道任何有关
Bandini
山的特性
，
使用
13
个传统的电容器会使峰
值非常靠近
Bandini
山
，
这显示在图
8-53
中
。
在这种情况下
，
Bandini
山的
q
因子是高的,
如果印制板级不提供额外的阻尼
，
则阻抗曲线类似于固有的
Bandini
山
。
图
8-53
13
个电容器附加在印制板级
PDN
系统中的阻抗曲线
，
所有都是
IO
r
F
的传统
MLCC
电容器和
13
个受控
ESR
电容器
，
它们每个为
10*F,
ESR=1
。
使用受控
ESR
电容器
，
印制板上附加阻尼
，
峰值阻抗下降到大约
130
m
。
，
这两倍于
Bandini
山特性阻抗
，
接近能够得到的实际峰值阻抗的最好数值
。
提示
此示例阐述了使用受控
ESR
电容器的强大功能
。
如果不知道
Bandini
山的详细
信息
，
那么它们是实现最低实际阻抗的有效方法
，
如果这个
Bandini
山的特性阻
抗不低于目标阻抗
，
那么仍旧不能保证它满足目标阻抗
。
第二个例子有下述条件
。
目标阻抗
=
0.0050
、
最大频率为
0.
2GHz
。
片上电容
：
400nF
、
封装引线电感
：
2.5pH
、
腔体
：
2.
4nF
o
MLCC
电容器
：
多种的
、MLCC
W
ESR
：
依赖于电容
、
MLCC
W
ESL
：
InH,
数量:
多种的
。