电源完整性设计—怎样合理选择电容组合

来源:本站整理 作者:叶子2011年11月29日 10:55
[导读] 电源完整性设计—怎样合理选择电容组合,电容封装尺寸、容值要联合考虑。总之最终目标是,用最少的电容达到目标阻抗要求,减轻安装和布线的压力。
    前面我们提到过,瞬态电流的变化相当于阶跃信号,具有很宽的频谱。因而,要对这一电流需求补偿,就必须在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗。但是,不同电容的有效频率范围不同,这和电容的谐振频率有关(严格来说应该是安装后的谐振频率),有效频率范围(电容能提供足够低阻抗的频率范围)是谐振点附近一小段频率。因此要在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗,就需要很多不同电容的组合。   你可能会说,只用一个容值,只要并联电容数量足够多,也能达到同样低的阻抗。的确如此,但是在实际应用中你可以算一下,多数时候,所需要的电容数量很大。真要这样做的话,可能你的电路板上密密麻麻的全是电容。既不专业,也没必要。   选择电容组合,要考虑的问题很多,比如选什么封装、什么材质、多大的容值、容值的间隔多大、主时钟频率及其各次谐波频率是多少、信号上升时间等等,这需要根据具体的设计来专门设计。   通常,用钽电容或电解电容来进行板级低频段去耦。电容量的计算方法前面讲过了,需要提醒一点的是,最好用几个或多个电容并联以减小等效串联电感。这两种电容的Q值很低,频率选择性不强,非常适合板级滤波。   高频小电容的选择有些麻烦,需要分频段计算。可以把需要去耦的频率范围分成几段,每一段单独计算,用多个相同容值电容并联达到阻抗要求,不同频段选择的不同的电容值。但这种方法中,频率段的划分要根据计算的结果不断调整。   一般划分3到4个频段就可以了,这样需要3到4个容值等级。实际上,选择的容值等级越多,阻抗特性越平坦,但是没必要用非常多的容值等级,阻抗的平坦当然好,但是我们的最终目标是总阻抗小于目标阻抗,只要能满足这个要求就行。   在某个等级中到底选择那个容值,还要看系统时钟频率。前面讲过,电容的并联存在反谐振,设计时要注意,尽量不要让时钟频率的各次谐波落在反谐振频率附近。比如在零点几微法等级上选择0.47、0.22、0.1还是其他值,要计算以下安装后的谐振频率再来定。   还有一点要注意,容值的等级不要超过10倍。比如你可以选类似0.1、0.01 、0.001这样的组合。因为这样可以有效控制反谐振点阻抗的幅度,间隔太大,会使反谐振点阻抗很大。当然这不是绝对的,最好用软件看一下,最终目标是反谐振点阻抗能满足要求。   高频小电容的选择,要想得到最优组合,是一个反复迭代寻找最优解的过程。最好的办法就是先粗略计算一下大致的组合,然后用电源完整性仿真软件做仿真,再做局部调整,能满足目标阻抗要求即可,这样直观方便,而且控制反谐振点比较容易。而且可以把电源平面的电容也加进来,联合设计。   图是一个电容组合的例子。这个组合中使用的电容为:2个680uF钽电容,7个2.2uF陶瓷电容(0805封装),13个0.22uF陶瓷电容(0603封装),26个0.022uF陶瓷电容(0402封装)。图中,上部平坦的曲线是680uF电容的阻抗曲线,其他三个容值的曲线为图中的三个V字型曲线,从左到右一次为2.2uF、0.22uF、0.022uF。总的阻抗曲线为图中底部的粗包络线。   这个组合实现了在500kHz到150MHz范围内保持电源阻抗在33毫欧以下。到500MHz频率点处,阻抗上升到110毫欧。从图中可见,反谐振点的阻抗控制得很低。   小电容的介质一般常规设计中都选则陶瓷电容。NP0介质电容的ESR要低得多,对于有更严格阻抗控制的局部可以使用,但是注意这种电容的Q值很高,可能引起严重的高频振铃,使用时要注意。   封装的选择,只要加工能力允许,当然越小越好,这样可以得到更低的ESL,也可以留出更多的布线空间。但不同封装,电容谐振频率点不同,容值范围也不同,可能影响到最终的电容数量。因此,电容封装尺寸、容值要联合考虑。总之最终目标是,用最少的电容达到目标阻抗要求,减轻安装和布线的压力。

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