PDN頻段分布及電容的濾波頻段限制
 

PDN各元素的濾波頻段范圍
 

電容的諧振頻率計算
 

電容與安裝電感
 

電容位置
 

 

碰到過(guò)好些設計要求里面寫(xiě)著(zhù)電源必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳，也有不少工程師在實(shí)際設計中遵守這個(gè)規則，我們這次就一起來(lái)看看這個(gè)規則的實(shí)用場(chǎng)合。

 

單、雙面板設計的時(shí)候，沒(méi)有電源、地平面。電源、地網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)走線(xiàn)來(lái)進(jìn)行連接的，這個(gè)時(shí)候在設計上要求電源和地先走到濾波電容，然后在進(jìn)入芯片管腳，具體設計如圖1所示

這時(shí)候，PDN也就是電源供電網(wǎng)絡(luò )，沒(méi)有平板電容。然后芯片的工作頻率一般也不高，工作時(shí)電源噪聲的頻率包括諧波一般都不超過(guò)100M，電源噪聲主要由各級濾波電容來(lái)實(shí)現濾除。

 

但是，現在的設計有什么區別呢？大部分設計采用多層板層疊方式，也就是我們有了專(zhuān)門(mén)的電源、地平面了；在大多數的層疊教材中，都會(huì )建議在可能的情況下，盡量把電源和地緊鄰在一起，也就是說(shuō)，我們的電源、地緊耦合形成平板電容；同時(shí)系統的工作頻率越來(lái)越高，工作時(shí)電源噪聲的頻率如果考慮諧波分量的話(huà)，動(dòng)輒幾個(gè)G HZ。

 

那么，在以上幾個(gè)變化的設計條件下，如果我們還堅持按照圖2的方式，電源和地網(wǎng)絡(luò )通過(guò)過(guò)孔連接到濾波電容，然后通過(guò)濾波電容連接到芯片，這樣的設計存在哪些問(wèn)題呢？

圖2的設計方式，是假定電容還是主要的濾波元件，限定供電路徑經(jīng)過(guò)電容。但是實(shí)際上從圖3我們可以看到，電源供電網(wǎng)絡(luò )里面，電源、地之間形成的平板電容，才是板級響應速度最快的濾波元件。我們希望從濾波元件到供電管腳之間的電感盡量小，提高元件濾波的效率。

我們從兩個(gè)角度來(lái)理解電源設計的目標。

一個(gè)是傳統的儲能角度，另一個(gè)是頻域的PDN阻抗角度。

從儲能角度來(lái)說(shuō)，VRM是蓄水池，Buck電容是我們挑回來(lái)放在水缸的水，那么板上的小濾波電容就是水瓢，這時(shí)候我們先忽略芯片內部的封裝基板電容和Die電容（或者我們把這兩種電容理解為身體內部?jì)Υ娴乃?。那么N年前，當我們身體缺水，口渴的時(shí)候，拿著(zhù)水瓢從水缸舀起水來(lái)解渴，如果實(shí)在不著(zhù)急，走到水池邊上埋頭喝水也未嘗不可（那些年，水質(zhì)干凈，路上不堵，環(huán)境好哈）（電源噪聲頻段不高，用電需要的速度-頻率也不是很高）。

可惜好時(shí)光的那年已經(jīng)匆匆而過(guò)了?，F在環(huán)境污染，水質(zhì)變壞，我們再要喝水，已經(jīng)不敢喝生水了。VRM成了自來(lái)水廠(chǎng)，Bulk電容就是設在小區的水塔，通過(guò)自來(lái)水管接到我們家里，我們用水壺（小濾波電容）來(lái)接水，燒開(kāi)之后倒在杯子（平板電容）里，口渴的時(shí)候，只能用杯子喝水了。當然如果不著(zhù)急，又想表現豪爽，直接對著(zhù)水壺喝水也沒(méi)問(wèn)題。

 

例子不是100%恰當，只是說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題，現在的PDN設計，我們不能忽視電源、地間的平板電容。既然已經(jīng)是多層板設計，甚至是8層以上（電源、地板間距離較?。┰O計，這時(shí)候還限定電源地用電強制經(jīng)過(guò)濾波電容，已經(jīng)是不合理了）

 

圖4是常見(jiàn)的電容與芯片的Fan out設計方案，我們不需要限定用電經(jīng)過(guò)電容到達芯片管腳。而是要求芯片就近打孔到平面，減少芯片與電容和電源、地平面的距離（安裝電感）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，把水杯放在辦公桌上隨手可及的地方，口渴了伸手就能喝水。

電源的事情讓無(wú)數工程師頭痛，大家想盡辦法來(lái)讓電源變得“干凈”，濾波電容設計是其一，還有磁珠隔離等其他手段，我們會(huì )一一道來(lái)。下一節就是從PDN角度來(lái)看電源濾波及電容設計。