作者:吴均  高速先生团队队长

目录:

PDN频段分布及电容的滤波频段限制

PDN各元素的滤波频段范围

电容的谐振频率计算

电容与安装电感

电容位置

电容的容值选择,种类与数量

碰到过好些设计要求里面写着电源必须从滤波电容进入芯片管脚,也有不少工程师在实际设计中遵守这个规则,我们这次就一起来看看这个规则的实用场合。

单、双面板设计的时候,没有电源、地平面。电源、地网络是通过走线来进行连接的,这个时候在设计上要求电源和地先走到滤波电容,然后在进入芯片管脚,具体设计如图1所示

这时候,PDN也就是电源供电网络,没有平板电容。然后芯片的工作频率一般也不高,工作时电源噪声的频率包括谐波一般都不超过100M,电源噪声主要由各级滤波电容来实现滤除。

但是,现在的设计有什么区别呢?大部分设计采用多层板层叠方式,也就是我们有了专门的电源、地平面了;在大多数的层叠教材中,都会建议在可能的情况下,尽量把电源和地紧邻在一起,也就是说,我们的电源、地紧耦合形成平板电容;同时系统的工作频率越来越高,工作时电源噪声的频率如果考虑谐波分量的话,动辄几个G HZ。

那么,在以上几个变化的设计条件下,如果我们还坚持按照图2的方式,电源和地网络通过过孔连接到滤波电容,然后通过滤波电容连接到芯片,这样的设计存在哪些问题呢?

图2的设计方式,是假定电容还是主要的滤波元件,限定供电路径经过电容。但是实际上从图3我们可以看到,电源供电网络里面,电源、地之间形成的平板电容,才是板级响应速度最快的滤波元件。我们希望从滤波元件到供电管脚之间的电感尽量小,提高元件滤波的效率。

我们从两个角度来理解电源设计的目标。一个是传统的储能角度,另一个是频域的PDN阻抗角度。从储能角度来说,VRM是蓄水池,Buck电容是我们挑回来放在水缸的水,那么板上的小滤波电容就是水瓢,这时候我们先忽略芯片内部的封装基板电容和Die电容(或者我们把这两种电容理解为身体内部储存的水)。那么N年前,当我们身体缺水,口渴的时候,拿着水瓢从水缸舀起水来解渴,如果实在不着急,走到水池边上埋头喝水也未尝不可(那些年,水质干净,路上不堵,环境好哈)(电源噪声频段不高,用电需要的速度-频率也不是很高)。

可惜好时光的那年已经匆匆而过了。现在环境污染,水质变坏,我们再要喝水,已经不敢喝生水了。VRM成了自来水厂,Bulk电容就是设在小区的水塔,通过自来水管接到我们家里,我们用水壶(小滤波电容)来接水,烧开之后倒在杯子(平板电容)里,口渴的时候,只能用杯子喝水了。当然如果不着急,又想表现豪爽,直接对着水壶喝水也没问题。

例子不是100%恰当,只是说明一个问题,现在的PDN设计,我们不能忽视电源、地间的平板电容。既然已经是多层板设计,甚至是8层以上(电源、地板间距离较小)设计,这时候还限定电源地用电强制经过滤波电容,已经是不合理了)

图4是常见的电容与芯片的Fan out设计方案,我们不需要限定用电经过电容到达芯片管脚。而是要求芯片就近打孔到平面,减少芯片与电容和电源、地平面的距离(安装电感)。简单来说,把水杯放在办公桌上随手可及的地方,口渴了伸手就能喝水。

电源的事情让无数工程师头痛,大家想尽办法来让电源变得“干净”,滤波电容设计是其一,还有磁珠隔离等其他手段,我们会一一道来。下一节就是从PDN角度来看电源滤波及电容设计。

水的事情也让升斗小民头痛,大家不放心国家的用水标准,绞尽脑汁来加一级过滤。于是活性炭、超级过滤膜,到现在最推崇的RO膜。关心水质的为了得到纯水忙忙碌碌,无所谓的直接烧自来水,几十年了也活的好好的。

看来“水”真是一个好东西,高速先生都喜欢用水来做比喻,是不是该给“水”发点版权费用呢……