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信號完整性(SI)電源完整性(PI)學習筆記(三十二)電源分配網路(四)

2022-07-23 13:05:38小幽餘生不加糖

電源分配網路(四)

1.從穩壓模塊和體電容器不再提供低阻抗直到頻率約為100MHz的範圍內,設計電源分配網絡阻抗曲線的策略就是選擇合適容值和個數的電容器,以保持阻抗峰值低於目標阻抗。
n個電容器並聯的等效電容、電阻和電感分別為:

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2.多個相同電容器並聯的阻抗曲線,如圖,該圖錶明總的RLC曲線輪廓保持相似,但整個頻率範圍內的總的阻抗是變化的。

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3.兩個電容器並聯的性能與單個的RLC模型一樣,在自諧振頻率處擁有相同的低阻抗下沖。大電容器的自諧振頻率較低,小電容器的自諧振頻率較高。當各自的理想電容容抗與該電容器的理想電感感抗匹配時,就會發生諧振情况,並聯電容器組合的自諧振頻率和單個電容器各自的自諧振頻率相同。另外,在自諧振頻率之間有一個新的特征,即阻抗的峰值稱為並聯諧振峰值,它發生在並聯諧振頻率(PRF)處。

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4.並聯諧振頻率是電容器並聯組合的一個重要特性,它給出了阻抗曲線的峰值比特置,當使用電容器個數較少時,正是並聯諧振阻抗制約著電源分配網絡的性能。
並聯諧振頻率處的阻抗峰值粗略計算為:

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降低阻抗峰值的重要途徑:
(1)减小較大電容器的等效串聯電感;
(2)增大較小電容器的容器;
(3)同時增大兩個電容器的等效串聯電阻。

5.一個電容器的等效串聯電阻與構造電容器的多層平行板金屬化平面有關,通常情况下容值越大,平行板的層數就越多,等效串聯電阻越小。

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使用小容值電容器可以做到有較高的ESR值,從而得到較低的並聯諧振峰值。

6.减小ESL值是降低阻抗峰值的一種重要方法。另一種方法是添加更多的電容器。

7.如何選擇添加電容器的以降低並聯諧振峰值?
當有個具有不同的自諧振頻率的電容器並聯時,在他們的自諧振頻率之間形成了一個並聯諧振阻抗峰值。這個阻抗峰值可以通過添加一個其自諧振頻率介於他們之間的電容器加以降低。
第三個電容器的自諧振頻率最佳值和所有三個電容器的容值,ESL和ESR都有關系。采用SPICE求出這個最佳值:
(1)讓第三個電容器的自諧振頻率和並聯諧振頻率相一致;
(2)或使第三個電容器的自諧振頻率值取為處於其他兩個電容器自諧振頻率值之間的某個值。
結論:當每個電容器的ESL值都相同時,可以設計添加一個容值為其他兩個容值幾何平均的電容器以得到最低的阻抗峰值。

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8.很多手册建議,每對電源/地的封裝引脚上加3個電容器。理由是他們會在特定頻率區間產生非常低的阻抗。但是很重要的不是阻抗曲線有多低,而是有多高,阻抗曲線的高峰值會導致電路故障。

9.降低這一低頻阻抗峰值的主要方法是减小體電容器的電感。如果在設計中不能减小,那麼將更多的電容並聯。

10.對於頻率在100MHz以下的情况,减小阻抗峰值的方法有以下6種:
(1)大幅度加大接在平面上的電容值,從而將其自諧振頻率降到很低,而且阻抗峰值也要降低。
(2)减小平面電容,是並聯諧振頻率高於100MHz;
(3)减小去耦電容器的電感;
(4)增大電容器的等效串聯電感;
(5)調整某個電容器的容值,是其自諧振頻率接近於並聯諧振頻率;
(6)添加一個自諧振頻率接近於並聯諧振頻率的電容器。

11.(1)在低頻段,可以通過調整體電容器的容值和個數來保持阻抗低於目標阻抗;
(2)在高頻段,電容器組合可以得到相對最低的阻抗(由等效串聯電感並聯值决定)

滿足目標阻抗所需要的電容器的最少個數是評估設計優化程度的一個優質指標參數

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12.通過優選電容器容值就能用最少的電容器設計出平坦的阻抗曲線,只要精選電容器的容值,就能做到滿足目標阻抗所需電容器個數最少,這一過程是在修正阻抗曲線。
所選目標電容器的個數和最優值取决於:
穩壓模塊附帶的體去耦電容器;板上的電容量,目標阻抗,最高頻率,每個電容器的等效串聯電感。

13.修正阻抗曲線的方法:從低頻開始,選擇最大值的電容器並進行仿真。對每一種容值都加上足够個數電容,使阻抗峰值低於目標阻抗,然後再添加足够個數的下一種容值的電容器直到滿足目標阻抗。

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14.需要培養的重要設計習慣:
(1)依照組裝的設計規則,采用盡量短而粗的錶層布線;
(2)電容器要放在靠近封裝的比特置, 有一些可以放在封裝下面的電路板底層,還有一些可以放在封裝的同一頂層,要避免這些外圍電容使擴散電感飽和。
(3)當電源/地平面相鄰層是在不增加成本的情况下盡量使用最薄的介質;
(4)如果有可能,則應使用電源/地腔盡可能靠近PCB的錶面層。

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