电源去耦电容的容值分布

文摘   科学   2024-04-15 07:26   北京  

 

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前两篇文章分别介绍了电源去耦电容的阻抗特性以及电容的并联谐振峰,这篇文章来看一下PDN中的电容该如何分布,是选相同容值的呢,还是不同容值呢。

我们来看一下,下面这种情况:

 


上面曲线中,PDN系统的目标阻抗要求在40MHz以内小于10 mohm

PDN系统中只有1330uF122uF110uF电容

此时,在3Mhz以后不满足要求,在此基础上我们添加自谐振频率比较高的100nF电容,如下:

100nF

10个

此时的PDN阻抗曲线如下(粉色):

 

可以看到,此时在10Mhz以后可以满足要求,但是在6MHz左右仍然是超标的,我们可以通过继续增加100nF电容来使PDN阻抗继续向下降,个数如下:

100nF

40个


6Mhz左右还有一点超标,继续添加100nF电容:

100nF

100个

 

此时,PDN所有频段阻抗满足要求,但是我们发现了,需要100100nF电容,电容数量太多了,而且在20MHz位置设计冗余过于大了,而在3MHz左右则有一定风险;


在只添加100nF电容时,6MHz左右位置超标的原因是由于电容并联的反谐振,看过上篇文章的同学肯定不陌生了,有三种因素会影响反谐振峰值,我们可以通过减小容值差的方法来减小反谐振;

选择添加1uF电容来减小大电容和100nF电容之间的容值差,电容分布如下:

1uF

100nF

5个

20个

PDN如下:

 


在添加了1uF电容后,电容的数量大大减少了,曲线较之前只有100nF时也有所好转,但是此时,仍然有两处反谐振峰有点大,因此我们可以进一步在10uF1uF100nF之间插入电容以减小反谐振峰,电容分布如下:

10uF

4.7uF

2.2uF

1uF

470nF

220nF

100nF

1个

1个

1个

1个

3个

3个

6个

 


此时,电容的种类多了,电容的个数则进一步减少,最重要的是,PDN曲线平坦的多了,除了阻抗本身以外,对于这种平坦的(谐振比较小的)阻抗曲线,一些电流产生的电压噪声更友好;

通过三种添加电容的方式,我们可以初步得到结论,尽量不要一种容值电容选到底,尤其是小电容,这样需要很多个电容,而且在电容自谐振点阻抗降下来的同时,电容并联反谐振峰则比较大;

而适当选取不同容值电容配合,则可以减小电容并联反谐振峰;

除了减小反谐振峰以外,还可以根据PDN阻抗曲线的走势,选取自谐振频点相应的电容以压低PDN阻抗,但是需要注意,电容的安装电感会使电容的自谐振频点向低频移动,因此在选择电容时需要注意,更要注重减小电容的安装电感;

本文通过添加不同容值电容的组合,仿真总结了电容添加的基本原则,就是容值差尽量小一些,可以采用每10倍频程3种容值的方式,此时PDN曲线最为平坦,但是电容的效果还受制于电容的安装电感,因此在PCB布局时应注意减小电容的安装电感;

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