作者：吳均 一博科技高速先生團(tuán)隊隊長

本節(jié)：從PDN的角度，看看濾波電容在電源噪聲濾除時起到什么作用，同時討論下電容的特性，諧振頻率，安裝電感等。

這一篇是“電源是不是必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳”的最后一篇，換個方式，先來開門見山，亮出觀點(diǎn)和結(jié)論，再逐一解釋：

1. 隨著系統(tǒng)工作頻率的提升，PDN噪聲對應(yīng)的頻段也在提高

2. 濾波電容的諧振頻率點(diǎn)變化不大，比如說，常見的0.1uf的電容，考慮了安裝電感之后，諧振頻率點(diǎn)基本都在10~15M之間，濾除噪聲的作用范圍有限

3. 隨著多層板的普及，平板電容在板級扮演著高頻電容的角色

4. 封裝內(nèi)電容和Die電容，對高頻噪聲起決定作用

第一條不需要解釋，我們從頻域來考慮PDN問題的時候，噪聲的頻譜分布范圍最好能覆蓋到信號的截止頻率。

第二條，我們來看看常見電容的諧振頻率點(diǎn)以及安裝電感的評估。

圖1是一個Murata 0402封裝，0.1uf電容的參數(shù)，諧振頻率25M左右

圖1

圖2是把電容安裝到一個6層板上面，層疊如左圖所示，4、5層是電源地平面對，右圖是安裝之后仿真的諧振頻率，大約是10M左右

圖2

通過簡單的計算，我們就可以評估出電容的安裝電感。

電容諧振頻率的計算公式：

安裝之后的諧振頻率為10.1427 MHZ，假定電容值不變，這樣反推出來電感為2.4597 nH，本例中安裝電感大小約為2.07nH。

從圖3可以看出，電容在諧振頻率點(diǎn)之后呈現(xiàn)感性，電容起作用的頻率范圍不會超過諧振頻率點(diǎn)的2~3倍。

圖3

第三條，板級更高頻率的噪聲怎么辦？多層板設(shè)計時注意電源地之間緊耦合，可以成為更加高頻的平板間電容。

圖4是2013年高速先生團(tuán)隊在研究埋容設(shè)計的案例，給出了幾種不同電源地間距的平板阻抗曲線：

電源地間距28.31mil，電源地耦合較差，波形為紅色

電源地間距4.2mil，增加電源地耦合，波形為綠色

使用埋容材料3M_C Ply，間距0.56mil，波形為藍(lán)色

能看到平板電容諧振頻率點(diǎn)較高，一般在200M以上，能有效應(yīng)對幾百兆的高頻電源噪聲。

圖4

第四條，封裝電容和Die電容這里不做太多描述，只給出一個實(shí)際案例，圖5是某芯片，Die電容大小為2071NF。能看到Die電容起作用之后，30M以上的PDN阻抗基本完全被壓下來了。也就是說，30M以上的電源噪聲，進(jìn)入芯片之后被Die電容濾除。系統(tǒng)設(shè)計時不需要考慮這個頻段以上的濾波。

圖5

“鐵路工人，各管一段”，濾波電容作為PDN的一個組成部分，只涵蓋了部分頻段的濾波效果。設(shè)計的時候，不需要特別指定電源必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳。因?yàn)檫@樣設(shè)計往往會增加整體的安裝電感，反而影響濾波效果。
編輯：hfy