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PDN 元件對(duì)阻抗的影響

發(fā)布時(shí)間:2024-07-17 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在數(shù)字系統(tǒng)中,PCB 的電源分配網(wǎng)絡(luò) (power delivery network,即 PDN) 需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗值,以確保在數(shù)字器件運(yùn)行時(shí),電壓波動(dòng)能保持在較低水平。決定 PDN 阻抗的因素有很多,不單單是數(shù)字處理器中用于穩(wěn)定功率輸出的電容器。在工作頻率達(dá)到 GHz 級(jí)別的先進(jìn)系統(tǒng)中,PDN 阻抗不僅受到電容器的影響,還有很多因素會(huì)決定 PDN 阻抗,即便在非常高的頻率下也是如此。


在數(shù)字系統(tǒng)中,PCB 的電源分配網(wǎng)絡(luò) (power delivery network,即 PDN) 需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗值,以確保在數(shù)字器件運(yùn)行時(shí),電壓波動(dòng)能保持在較低水平。決定 PDN 阻抗的因素有很多,不單單是數(shù)字處理器中用于穩(wěn)定功率輸出的電容器。在工作頻率達(dá)到 GHz 級(jí)別的先進(jìn)系統(tǒng)中,PDN 阻抗不僅受到電容器的影響,還有很多因素會(huì)決定 PDN 阻抗,即便在非常高的頻率下也是如此。


SMD 電容器(頻率范圍最高 10-100 MHz)


電容器是決定 PDN 阻抗并確保穩(wěn)定功率傳輸?shù)闹饕?。大多?shù)市售電容器都能保持較低的 PDN 阻抗,但它們所能達(dá)到的頻率范圍取決于以下多種因素:

  • 電容值

  • ESR 和 ESL 值(決定自諧振頻率)

  • SMD 電容器外殼尺寸


要判斷電容器能否確保 PDN 阻抗維持在較低水平,最終考慮的頻率范圍是電容器的自諧振頻率范圍。總體來(lái)說(shuō),較小的外殼尺寸和較低的電容值可提供較高的自諧振頻率。


有些電容器是專門針對(duì)非常高的頻率設(shè)計(jì)的,如 RF 電路中使用的電容器。讓我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)了解一下這些電容器開始產(chǎn)生電感的頻率范圍。我們可以看到,這些電容器的自諧振頻率因外殼尺寸而異,可以達(dá)到非常高的數(shù)值(理論上而言)。實(shí)際上,并非所有電容器都能達(dá)到如下所示的極高諧振頻率。我們將在下文中詳細(xì)說(shuō)明。


PDN 元件對(duì)阻抗的影響


不同外殼尺寸下高頻電容器的自諧振頻率變化趨勢(shì)。


平面對(duì)(頻率范圍接近 100 MHz-1 GHz)


當(dāng) PDN 阻抗曲線接近 100 MHz 的范圍時(shí),電容器將停止供電,而 PDN 阻抗曲線將由平面電容決定。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)需要較大的電流時(shí),會(huì)使用電源-接地平面對(duì),這樣也是為了提供較高的電容,以便在極高的諧振頻率下仍能保持電容阻抗。平面的功率輸出能力取決于電源-接地平面對(duì)中的擴(kuò)散電感 (spreading inductance)。


最終,在非常高的頻率(數(shù)十 Ghz)下,平面將開始共振并從邊緣散發(fā)輻射。這時(shí),平面對(duì)中的材料選擇和電介質(zhì)厚度成為影響 PDN 阻抗和噪聲發(fā)射的主要因素。


封裝(頻率范圍從 100 MHz 到 1 GHz)

先進(jìn)數(shù)字器件的封裝可包含自身的電容,以便在 GHz 范圍內(nèi)以較低的阻抗傳輸功率。這些器件可對(duì) PCB 上的平面對(duì)進(jìn)行補(bǔ)償,因?yàn)槠矫鎸?duì)在 GHz 頻率下可能會(huì)產(chǎn)生電感。


此類封裝包括片式電容器,可能還包括嵌入式電容器,以確保穩(wěn)定的功率傳輸和較低的 PDN 阻抗,直接作用于器件封裝中的半導(dǎo)體裸片。將這些電容直接置于封裝上,可避免 PCB 上的焊盤和過(guò)孔產(chǎn)生電感,還可避免 BGA/LGA 封裝中的引腳電感。


PDN 元件對(duì)阻抗的影響


CPU 封裝可包含自身的 PDN 元件,以便在低阻抗下實(shí)現(xiàn)功率傳輸。


裸片電容(頻率范圍大約在 1 GHz 以上)


半導(dǎo)體裸片可提供自身的電容,通常在裸片上直接提供總計(jì) pF 級(jí)別的電容。該電容的好處是直接位于裸片上,電感極小,可為數(shù)字接口供電。這是在 1 GHz 或以上的頻率下提供電容的最佳用例,以便支持速度最快的數(shù)字接口。


PCB 材料(所有頻率)


任何 PCB 材料都會(huì)影響電磁波的傳播,從而影響 PDN 阻抗曲線。我們?cè)谏衔慕榻B電源-接地平面對(duì)時(shí)說(shuō)過(guò),在數(shù)十 GHz 頻率下,平面區(qū)域會(huì)像平行板諧振器一樣開始共振。


為確保電源-接地平面對(duì)發(fā)揮最大作用,分隔二者的材料應(yīng)具備一些重要特性:

  • 首選高 Dk 值的材料,因?yàn)樗鼈兡芴峁└叩碾娙?/p>

  • 損耗正切值適中或較高,以抑制噪音

  • 首選薄層材料,以獲得更高的電容和更高的諧振截止頻率


使用非常薄的高 Dk 值電介質(zhì)(如嵌入式電容材料),可以減少振蕩 PDN 的輻射發(fā)射,并提高總平面電容。這些材料的成本較高,但在高帶寬、高功率的數(shù)字系統(tǒng)中卻經(jīng)常需要。


總結(jié)


我們通過(guò)下表總結(jié)了 PDN 的各個(gè)部分及其對(duì)頻率的影響。


PDN 元件對(duì)阻抗的影響


電源完整性的最后一個(gè)關(guān)鍵因素與 PCB 完全無(wú)關(guān),這個(gè)因素是電源穩(wěn)壓器或 VRM 的頻率響應(yīng)能力。VRM 電路通過(guò)控制環(huán)路確保穩(wěn)定的輸出電壓,而 VRM 的頻率響應(yīng)需要足夠快,以便抑制功率輸出可能存在的噪聲。如果電源軌上出現(xiàn)快速瞬變,VRM 就不能進(jìn)入持續(xù)振蕩狀態(tài)。在為大型數(shù)字處理器設(shè)計(jì)高電流/低電壓電源穩(wěn)壓器時(shí),瞬變下的測(cè)量值應(yīng)滿足要求。


PDN 阻抗設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn),但了解 PDN 阻抗的頻率范圍可幫助設(shè)計(jì)人員做出正確的工程設(shè)計(jì)選擇,以實(shí)現(xiàn)較低的 PDN 阻抗。

文章來(lái)源:Cadence楷登PCB及封裝資源中心


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