板级电源谐振
单板电源平面在整体上可以看成是一个LC的结构,所以在特定频率下会发生LC振荡,而在低于电容等效串联电感与平面电容并联谐振点的低频段范围,我们可以将平面看成集总元件与电容等效串联电感相互作用。
当平面边沿长度等于波长的几分之一时,单板谐振特性会体现在阻抗曲线中:第一个谐振频率为波长的1/2:
Len = 1/2*λ
= 1/(2*√(DK))*C/ƒres
= 1/2*v/ƒres =3/ƒres
举个栗子,如下图为一个10in*10in尺寸的裸板阻抗仿真曲线,单板在低频时呈容性,计算第一个谐振频率点约为300MHz。
由于电容的扩散电感取决于电容器与滤波器件的相对位置,如果探测点放在单板中间,那么扩散电感将会减半,第一个并联谐振频率点会是原来的2倍:600MHz。
对于器件管脚侧的电源滤波电容来说:
1. 去耦电容器距离芯片封装越远,扩散电感越大,总的串联电感就越大。
2. 当扩散电感远小于电容器的寄生电感,那么电容器的位置就不大重要,反之电容器距离远近就非常重要。
举个栗子:如果过孔直径是10mil,电容器与芯片相距1in,那么扩散电感:
Lvia-via = 21*h*ln(B/D)
= 21*h*ln(1/0.01)
= 100pH
1. 当介质厚度h较小时,扩散电感小,只有电容寄生电感很小才重要。
2. 当介质厚度h较大时,扩散电感大,电容寄生电感较小时电容位置就非常重要。
如下图为两个不同电容配置单板状况的阻抗曲线,都放置了4个相同的电容,每个电容器寄生电感为5nH。
1. 平面厚度为30mil,扩散电感为3nH,比4个电容并联寄生电感要大,电容放置远/近对阻抗曲线影响很大。
2. 平面厚度为4mil,扩散电感为0.4nH,比电容寄生电感小很多,电容位置对阻抗曲线变化很小。
所以,电容位置的重要性取决于扩散电容相较于电容本身寄生电感的大小:如果电源地平面距离很小,那么放远一点影响也不大,但电源地平面距离很大,那么需要尽量靠近器件电源管脚放置。
减小扩散电感的设计方法:
1. 在平面层间采用薄的介质。
2. 采用多层平面并联。
3. 使电源/地腔靠近板的顶层。
4. 电容沿着封装圆周长走向分布尽量开一些,如下图所示。
5. 封装下面单板底层放置一些电容。
那么,去耦电容是放在器件的同面不经过过孔滤波好,还是放在器件的背面直接打孔后滤波更好呢?
这个涉及到了具体电源地平面间距,过孔长度,器件电源管脚与耦合电容距离等问题,在不同的条件下,会有不同的结论。
但是一般来说:有足够多电容的情况下,最好在器件同层以及背面都放置一些去耦电容,以达到最好的滤波效果。
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