电源去耦电容的容值分布

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

在PDN系统中只有1个330uF,1个22uF,1个10uF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

在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10uF、1uF、100nF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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