去耦电容
在<100KHz低频段时有电源模块(VRM)、大滤波电容(储能)为单板电源分配网络提供低阻抗。
但在> 100KHz频段就需要板载去耦电容(陶瓷去耦电容和电源/地平面电容)为电源分配网络提供低阻抗。
如下图所示,为未加去耦电容器,只包括电源模块、滤波电容和50nF片上电容的电源分配网络阻抗。
如果目标阻抗是1ohm,那么即使未加其它去耦电容器,也能满足电源分配网络设计要求,即使目标阻抗为0.2ohm,只要电流频谱幅度峰值在5~20MHz频率范围内没有出现尖峰,单板也能正常工作。
此时无论板级电源分配网络如何设计,单板都能正常工作,并会让人产生一种错觉:去耦电容并不那么重要!这是对去耦电容很大的误解,并不是所有的单板能够这么幸运。
1. 去耦电容模型
理想电容器的阻抗随频率升高呈反比下降:Z=1/2πƒC,但是实际电容还有寄生电感和电阻,其实际工作行为不像理想电容。
如下图所示:在有寄生电感和电阻的模型中,电阻、电感和电容都是理想元件,它们的参数随频率恒定不变(<1GHz),其阻抗曲线非常接近实际电容器的实测阻抗,在不同的频段呈现出不同的特性:
1. 低频时:自谐振频率以下,RLC电路阻抗取决于理想电容,电容呈现的是容性。
2. 高频时:自谐振频率以上,RLC电路阻抗取决于理想电感,电容呈现的是感性。
3. 自谐振频率点:理想电阻(ESR)决定了RLC的最低阻抗,电容呈现的是阻性。
ƒSRF = 1/2π*1/√(LC)
= 159MHz/√(LC)。
2. 去耦电容的寄生电感(ESL)
寄生电感对电源分配网络更加重要,也是设计电源分配网络的原因:如果没有寄生电感,那么所有电流都可以瞬时到达(光速),而不需要设计这么复杂的电源分配网络(根据不同频段进行分段设计)。
电容器的寄生电感通常称为等效串联电感(ESL),ESL的值主要由电容器的安装方式决定:反映了安装方式的情况而不是电容本身。
举个栗子,如下图所示,X2Y的电容并不是电容本身ESL较低,而是由于其特别的设计使得安装电感更小。这种安装方式:减小了ESL,使得自谐振频率点抬升,而在高频段由于ESL的减小,使得电容表现出更小的阻抗,这种安装方式减小ESL的同时也会影响ESR。
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