作者：吳均 一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

本節(jié)：從PDN的角度，看看濾波電容在電源噪聲濾除時(shí)起到什么作用，同時(shí)討論下電容的特性，諧振頻率，安裝電感等。

這一篇是“電源是不是必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳”的最后一篇，換個(gè)方式，先來(lái)開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，亮出觀點(diǎn)和結(jié)論，再逐一解釋：

1. 隨著系統(tǒng)工作頻率的提升，PDN噪聲對(duì)應(yīng)的頻段也在提高

2. 濾波電容的諧振頻率點(diǎn)變化不大，比如說(shuō)，常見(jiàn)的0.1uf的電容，考慮了安裝電感之后，諧振頻率點(diǎn)基本都在10~15M之間，濾除噪聲的作用范圍有限

3. 隨著多層板的普及，平板電容在板級(jí)扮演著高頻電容的角色

4. 封裝內(nèi)電容和Die電容，對(duì)高頻噪聲起決定作用

第一條不需要解釋，我們從頻域來(lái)考慮PDN問(wèn)題的時(shí)候，噪聲的頻譜分布范圍最好能覆蓋到信號(hào)的截止頻率。

第二條，我們來(lái)看看常見(jiàn)電容的諧振頻率點(diǎn)以及安裝電感的評(píng)估。

圖1是一個(gè)Murata 0402封裝，0.1uf電容的參數(shù)，諧振頻率25M左右

圖1

圖2是把電容安裝到一個(gè)6層板上面，層疊如左圖所示，4、5層是電源地平面對(duì)，右圖是安裝之后仿真的諧振頻率，大約是10M左右

圖2

通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，我們就可以評(píng)估出電容的安裝電感。

電容諧振頻率的計(jì)算公式：

安裝之后的諧振頻率為10.1427 MHZ，假定電容值不變，這樣反推出來(lái)電感為2.4597 nH，本例中安裝電感大小約為2.07nH。

從圖3可以看出，電容在諧振頻率點(diǎn)之后呈現(xiàn)感性，電容起作用的頻率范圍不會(huì)超過(guò)諧振頻率點(diǎn)的2~3倍。

圖3

第三條，板級(jí)更高頻率的噪聲怎么辦？多層板設(shè)計(jì)時(shí)注意電源地之間緊耦合，可以成為更加高頻的平板間電容。

圖4是2013年高速先生團(tuán)隊(duì)在研究埋容設(shè)計(jì)的案例，給出了幾種不同電源地間距的平板阻抗曲線：

電源地間距28.31mil，電源地耦合較差，波形為紅色

電源地間距4.2mil，增加電源地耦合，波形為綠色

使用埋容材料3M_C Ply，間距0.56mil，波形為藍(lán)色

能看到平板電容諧振頻率點(diǎn)較高，一般在200M以上，能有效應(yīng)對(duì)幾百兆的高頻電源噪聲。

圖4

第四條，封裝電容和Die電容這里不做太多描述，只給出一個(gè)實(shí)際案例，圖5是某芯片，Die電容大小為2071NF。能看到Die電容起作用之后，30M以上的PDN阻抗基本完全被壓下來(lái)了。也就是說(shuō)，30M以上的電源噪聲，進(jìn)入芯片之后被Die電容濾除。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮這個(gè)頻段以上的濾波。

圖5

“鐵路工人，各管一段”，濾波電容作為PDN的一個(gè)組成部分，只涵蓋了部分頻段的濾波效果。設(shè)計(jì)的時(shí)候，不需要特別指定電源必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳。因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)往往會(huì)增加整體的安裝電感，反而影響濾波效果。
編輯：hfy