作者:吴均  一博科技高速先生团队队长

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承前:从过滤水的流程来看电源滤波的指导思想,及引出电源供电网络轨道PDN。

本节:从PDN的角度,看看滤波电容在电源噪声滤除时起到什么作用,同时讨论下电容的特性,谐振频率,安装电感等。

这一篇是“电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚”的最后一篇,换个方式,先来开门见山,亮出观点和结论,再逐一解释:

1． 随着系统工作频率的提升,PDN噪声对应的频段也在提高

2． 滤波电容的谐振频率点变化不大,比如说,常见的0．1uf的电容,考虑了安装电感之后,谐振频率点基本都在10～15M之间,滤除噪声的作用范围有限

3． 随着多层板的普及,平板电容在板级扮演着高频电容的角色

4． 封装内电容和Die电容,对高频噪声起决定作用

第一条不需要解释,我们从频域来考虑PDN问题的时候,噪声的频谱分布范围最好能覆盖到信号的截止频率。

第二条,我们来看看常见电容的谐振频率点以及安装电感的评估。

图1是一个Murata 0402封装,0．1uf电容的参数,谐振频率25M左右

图1

图2是把电容安装到一个6层板上面,层叠如左图所示,4、5层是电源地平面对,右图是安装之后仿真的谐振频率,大约是10M左右

图2

通过简单的计算,我们就可以评估出电容的安装电感。

电容谐振频率的计算公式:

原始电容的谐振频率为:

安装之后的谐振频率为10．1427 MHZ,假定电容值不变,这样反推出来电感为2．4597 nH,本例中安装电感大小约为2．07nH。

从图3可以看出,电容在谐振频率点之后呈现感性,电容起作用的频率范围不会超过谐振频率点的2～3倍。

图3

第三条,板级更高频率的噪声怎么办?多层板设计时注意电源地之间紧耦合,可以成为更加高频的平板间电容。

图4是2013年高速先生团队在研究埋容设计的案例,给出了几种不同电源地间距的平板阻抗曲线:

电源地间距28．31mil,电源地耦合较差,波形为红色

电源地间距4．2mil,增加电源地耦合,波形为绿色

使用埋容材料3M_C Ply,间距0．56mil,波形为蓝色

能看到平板电容谐振频率点较高,一般在200M以上,能有效应对几百兆的高频电源噪声。

图4

第四条,封装电容和Die电容这里不做太多描述,只给出一个实际案例,图5是某芯片,Die电容大小为2071NF。能看到Die电容起作用之后,30M以上的PDN阻抗基本完全被压下来了。也就是说,30M以上的电源噪声,进入芯片之后被Die电容滤除。系统设计时不需要考虑这个频段以上的滤波。

图5

“铁路工人,各管一段”,滤波电容作为PDN的一个组成部分,只涵盖了部分频段的滤波效果。设计的时候,不需要特别指定电源必须从滤波电容进入芯片管脚。因为这样设计往往会增加整体的安装电感,反而影响滤波效果。

关于滤波电容正确的Fan out方式,会在高速先生其他系列的文章里面进行讨论,敬请期待。