技术资讯 | 如何利用电容谐振改善PDN阻抗

 

 

在电路板放置分立的去耦电容可以灵活地调整电源供电系统的阻抗，实现较低的电源地噪声。然后，如何选择摆放电容位置、选用多少及选用什么型号的去耦电容仍是设计者需要考虑的问题。
 

因此，为了对一个特定的设计寻求最佳的去耦解决方案，选用合适的仿真软件及进行大量的电源供电系统的仿真模拟往往是必须的。去耦电容的阻抗呈现下图所示的V字形特性，在自谐振频率之前是容性的，爱自谐振频率点之后是感性的。在电容方案选型时，可以利用去耦电容阻抗在谐振点最低的特点，合理组合不同容值和位置的电容以抵消PDN谐振峰值，改变系统谐振点的分布，并使在关心的频段范围内这个PDN没有明显的谐振。

 利用电容自谐振频率来抑制PDN谐振

电容是最重要的电源阻抗控制优化器件，接下来我们将通过一个例子进一步阐述其在实际产品中的应用方法。

下图中是利用电容自谐振频率点阻抗最低的特点来抑制PDN谐振的一般方法。下图中通过芯片自阻抗曲线，可以发现其在1MHZ左右有个明显的谐振，由于常用的470uF电解电容的自谐振频率基本上位于1MHZ附近，所以我们在PCB上的VRM附件安装一颗470uF的去耦电容（Bulk），并从新提取芯片端自阻抗曲线。

  没有电容的情况
 

 

增加Bulk 470uF电容的情况

Bulk 470uF电容添加后的阻抗曲线，可以发现1MHZ附近的谐振峰明显的消失，但是10MHZ附近出现了新的谐振峰。此时可以通过板上合适的位置放置一些容量比较小的高频陶瓷电容MLCC电容100nf-22uf，来进一步抑制10MHZ附近的谐振。下图显示了通过高频电容的组合能有效的消除10MHZ出的谐振峰。

 

从上面的例子分析钟我们可以看出利用频域仿真获取PDN网络的输入阻抗，并利用阻抗谐振针对性性地添加板基去耦电容是改善PDN性能的行之有效的手段方法。

电源噪声从频谱上来看是一个很宽的频率范围内的噪声，频域分析需要在一定的范围内考虑；基于网络参数法的目标阻抗法是PDN的频域分析中最常用的方法。PDN的目标阻抗通常需要根据器件工作电流、噪声容限等参数确定；根据器件中最大工作电流附近估算的目标阻抗只适用于中低频的分析，高频的目标阻抗需要较为准确的器件工作时的电流模型进行计算；从目前的发展来看，芯片的工作电压越来越低，最大电流越来越大，因此核心电源的目标阻抗越来越小。