PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第429页
第 10 章 PDN 设计的 实 用 方法 413 封 装电 容 器 第 二个 最 重要的特 性是它 的 ESR 。 对 于 Bandini 山 的 总 q 因子 ， 它常成 为 最 主 要的 损 耗 机 制 。 提 示 减 小 电 感 可 降 低 PDN 阶跃 响 应 的特 性 阻 抗 和 增 加 电阻 性损 耗 ， 以及 降 低 q 因子 , 从 而降 低 PDN 谐 振 响 应 的阻 抗峰 值 高 度 ， 封 装电 容 器 对 这…
412
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
10-28
为得到近似的
VRM
行为
，
使用简单模型和
40
个电容器对改善的
VRM
模型仿真
提示
在
MLCC
电容器的回路电感减小到低于封装回路电感时
，
我们在印制板层面进
行的努力很少能影响
Bandini
山
。
10.
17
三峰
PDN
的改善
：
封装上的去耦电容器
降低
Bandini
山有效的方法是附加封装上的去耦
（
OPD
）
电容器
。
这会有效地减小泵
回路电感
，
这个电感与片上电容器
（
ODC
）
发生谐振
，
并且控制
q
因子
。
3
种类型的封装
电容器更加流行
：
•
封装的顶部边缘与芯片和芯片凸点处于同一水平面
•
嵌入电容器
，
位于芯片下面的封装基片中
•
底部电容器
，
位于封装的下面
，
通常替换那里的几个球
如果使用封装电容器
，
为了使其有效
，
封装源要被耗费以钩住低电感连接
。
做到这些
以后
，
合理地减小从系统其余部分看出去的泵回路电感
。
封装电容器最重要的特性是它的
安装回路电感
。
提示
集成在封装
PDN
的封装上的电容器的回路电感是影响其有效性最重要的特性
。
第
10
章
PDN
设计的实用方法
413
封装电容器第二个最重要的特性是它的
ESR
。
对于
Bandini
山的总
q
因子
，
它常成为
最主要的损耗机制
。
提示
减小电感可降低
PDN
阶跃响应的特性阻抗和增加电阻性损耗
，
以及降低
q
因子,
从而降低
PDN
谐振响应的阻抗峰值高度
，
封装电容器对这二者都是有效的
。
足够的有趣的是
，
封装电容器最不重要的特性是它的电容量
。
它大概需要
5
倍片上电
容器的容量就能有效
。
若进一步增加它的容量
，
则影响很小
，
因为封装上和片上电容器的
串联组合与阻抗峰值已没有关系
。
可是
，
较大的封装电容降低了印制板电感的影响
。
图
10-29
所示为使用
220nF
电容器附加于封装上
，
以改进
PDN
的电路图的例子
。
从这个
观点来看
，
为了考虑电容器的物理尺寸
，
封装下面适合球形空间的能力
，
嵌入衬底的能力,
使用低电感连接钩住它们的能力
，
并联封装电容器的电特性等
，
要根据工程需要进行折中
。
图
10-29
包含较实际的
VRM
模型
，
多值
MLCC
电容器
，
封装上电容器和开关电容器负载模
型的改进
PDN
电路模型
I
Probe
l
乙
l_Probe
L
L
L
l_Probe
LVRM
/d
r
l_plane
.
.
d
,
.
„
,
.
l_bump
L=10nH
L=96
pH
L=19
pH
£=19
pH
£=10
pH
R=Q.2mQ
7?=0.97mQ
rn
/?=0.043mQ
7?=0.203mQ
7?=0.200mQ
口
_____
J
1
.
______________
1
1
riane
__________________
j
I
______________________________________________________
一
<
V_DC
_SRC1
4
Vde=Vdd
R
»
A_damp
>/?=10
mQ
Bulk
<
L
£_mount_22
■
L^(l+1861)/6*le-12
j
/?=(3.892/6)mQ
I
Ku
C
:
£=(1200/6)pH
H=(4.3/6)mQ
C
-
C_22u
「
&
22*6)
jiF
[
R
>
/?_skin
»
/?^(0.146+0.057)mQ
OVAR
f
caps_40
i
c
即
s
n_22jiF=0.00i
{t}
>
n
1-36
nJ0nF=1.001
{t}
C
n
4p7jiF=
1.001
{t}
,
n]2P
2"=2
{t}
n_lpOgF=
4
{t}
n_p47pF=6
{t}
二
n_p220pF=10
{t}
n_plOOpF=16
{t}
L
L_mount_pack_cap
:
£=29pH
■
於
=0.72mC
!
f_pack_cap
开关电容器负载
■
£=(150/2)pH
1_37
—
r
7?=(3O/2)mQ
o
C
U
:
C_pack_cap
C=(220*2)nF
3
z,
附加封装上电容器的影响是分离
Bandini
山
。
当然
，
由此产生的阻抗曲线特性强烈地
依赖于选择的电容器和它们如何集成进入封装
。
在这个例子中
，
我们假设电容量为
220nF,
每个具有
150PH
的安装电感
。
图
10
-
30
是由此产生的阻抗曲线
，
并与没有任何封装上的电
容器的阻抗曲线进行比较
。
Bandini
山阻抗峰的频率从
62MHz
移动到
75MHz,
因为使用的封装电容器的电感降低
了
。
阻抗峰值高度也从
74mo
下降到
53m
。
。
部分原因是特性阻抗
Z
。
的降低
，
部分原因是有
了好的阻尼
。
40
个印制板电容器加上封装电容器后的
Z
。
是
22mO,
q
因子是
53/22
=
2.
41
。
PDN
有
40
个
MLCC
电容器
，
这个增加了印制板的价格
。
当试图平衡性价比时
，
有时
稍微牺牲性能换取价格的重大下降
。
为评估这个
，
我们探索减小
MLCC
电容器数量所产生
的影响
，
现在我们包括封装面上的电容器
。
414
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
图
10-30
附加了
220
nF
封装上电容器的
PDN
阻抗曲线
。
注意
，
Bandini
山峰值阻抗的降低
。
封装上电容器的
ESR
也提供了更多的阻尼
例如
，
假设减小
MLCC
电容器数量
，
使其从
40
个变为
10
个
，
但是优化容量
，
让所有
的容量不相同
。
图
10-31
所示为有
10
个印制板电容器的电路图
。
图
10-32
所示为这种情况
下
PDN
的阻抗曲线
，
这是
PDN
中最终的性能改进
。
回路电感的增加导致谐振频率从
74MHz
下降到
65MHz
。
有兴趣的是
，
阻抗峰值高度
从
53m
。
下降到
51m
。
。
这种情况下存在两个谐振
，
首先
，
印制板电感较高
，
谐振时从封
装拉出较高百分比的负载电流
，
电容有较高的
ESR
。
第二
，
印制板的
ESR
是高的
，
因为有
较少的并联电容器的
ESR
。
两种机制增加了阻尼电阻和负载电流的损耗
。
对于具有
10
个
电容器和两个封装上的电容器
，
它们的
Bandini
山的
Z
。
是
25m
。
。
具有
10
个电容器的电路
的
q
因子为
51/25
=
2.
04
。
提示
有兴趣的是
，
由于有少量的印制板电容器
，
所以
Bandini
山的
q
因子从
2.
41
下
降到
2
・
04,
这比增加泵回路电感更加重要
。
使用较少印制板电容器的数量后
，
泵回路电感和阻尼都增加了
，
减小的阻抗峰值高度没
有受到影响
。
这个结果没有预计到
，
而且令人惊讶
。
必须强调
：
要想控制电感
（
越低越好
）