单板中的不同电源如何去耦？

单板中的不同电源如何去耦？工程师们往往都是严格按照元件Datasheet推荐方法与建议，这些建议往往如下所描述：“The supply tothis pin should be decoupled with 0.1uF and 0.01uF Capacitor to ground as nearas possible”，如下图所示，而这些建议归纳起来就是2点：

（1） “使用0.1uF或0.01uF的电容”

（2） ”离电源管脚越近越好”

图 1. 某Datasheet上滤波电容的使用建议

这类建议看起来是万能的，但是用起来又有点“万万不能”，因为单板的应用情景千变万化，这些建议在具体应用时往往令硬件工程师感觉需要喝上几杯“蚁力神”才缓得过气来，实在烦了有时也会存在一点“甩锅”心里，不再多想而严格执行Datasheet上的建议或“过设计”。最后的原理图往往成了如下的模样，即闭着眼睛多按几下Clt+V。

图 2. 常见的电容组合原理图

下游PCB布局时发现没足够的空间放置这么多电容后，再是一翻“沟通”过后，硬件工程师再对原理图作部分删除，这种方法从电容的数量、位置、类型组合等方面对PCB的设计都没有定量的细节指导。因而出现了本文开始时提到的：“越多越好、越近越好”的建议。

经仔细分析发现这些问题是可以解决的，且可以在早期做较准确的定量分析，这需要在产品开发的初期PI仿真工作就要介入。

2. 初期评估与策略

如何在项目初期确定项目的电容滤波方案是最关键的步骤，业界已有成熟的EDA工具可以在项目初期提供较为精细的电容设计：包括电容容值组合、位置的放置、目标阻抗是否满足等，如按相应的流程处理可以做到降低综合成本、减少返工风险等。

目标阻抗

初期电容的评估与制定策略具体步骤如下：

首先确定目标阻抗值，早期PI都是使用如下的方法确定目标阻抗，公式与结果样图如下：

图 3. 目标阻抗计算公式

图 4. 目标阻抗与仿真评估

这个估算方法在对于电流及链路上寄生电感影响越来越大的今天，再使用一条直线的目标阻抗已不能适应。

如下图中使用与频率相关的目标阻抗曲线，这使仿真时满足目标阻抗值实现起来更接近现实状况。

图 5. 与频率相关的目标阻抗

但对于低电压，大电流的情况，目前这类目标阻抗评估还是显得粗略，需要获得在一个周期内logic门、buffer的详细翻转及精确的电流才能得到符合更真实的目标阻抗，由于“部门墙”及不同行业间的隔阂问题，这个想法在一般公司非常难以实现，因而很多公司会把重心转到在封装与及芯片内部的电容去耦的设计与策略上。

电容组合与精细设计

电容的位置范围、电容的数量、电容的容值组合、使用何种Fanout形式等，这些只要流程及思路正确运用现有的商业EDA软件，在设计的初期是可以实现，后期的Layout完成后基本就可以满足目标阻抗的要求，即使要调整也只是很小的局部调整。

3. 项目中后期

SI工程师在单板完成后会对单板进行一次PowrAC的仿真（详细操作过程可以参考《信号、电源完整性仿真设计与高速产品应用实例》11章），看看阻抗曲线是否满足目标阻抗要求，很多时候仿真的结果是这样：

（1） 阻抗曲线在某些频点有较高的谐振，但没有超过目标阻抗

（2） 目标阻抗满足的地方只能到几MHz。

对于第一种情况，一般工程师不愿再作处理而默认PASS，第二种情况，则会尝试加更高频的电容进行改善，如没掌握好方法这将会是一个较为繁琐的手工迭代工作，因而选择包括有各种优化项（最小的成本、最小的电容种类、最小的电容类型…。）的软件（如OptimizedPI等软件）进行PI仿真优化则是一个非常明智的选择，软件最后结果会给出多个方案供选择，如下图的结果所示。

图 6. OptimizedPI完成的仿真效果

另一种方式，是所有工程师最愿意接受的方法，就是不改变当前的电容位置与大小，只是改变电容容值组合的优化需求，如下图，这种方式可以通过使用类似于What if方式即可快速得到结果。

图 7. Whatif 针对选定电容优化

但如目标阻抗人为不合理地设置太严格，通常会得不到优化结果，或优化结果根本就不可能实现，因而一个好的设计不是通过后期的优化得到，而是在项目初期基本定型，后期只需要较小的调整。

4. 电容模型与管理

项目仿真过程，不同软件对电容的不同模型处理也不一样，提供一套精确的电容电模型，对于结果精度的保证非常重要，电容模型可以由供应商提供或自行测量。由于各寄生参数的影响，不同模型的电容仿真出的结果会不一样，如下图同一个电容，在使用S参数模型与RLC模型时仿真出的结果会发现有一定的偏差。

图 8. 电容使用S参数与RLC参考的仿真结果对比

5 。 总结

综上所述，在进行PowerAC仿真时，应在项目前期介入并给出一个详细、可行的方案，这样对于后期的PDN优化工作量会非常小，而准备一套常用、准确的电容模型库更能保证仿真的精度。
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