電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中一種新型的去耦電容選擇方法*

［彭大芹 許海嘯］

電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中一種新型的去耦電容選擇方法*

［彭大芹 許海嘯］

摘要文章對高速電路中電源分配網(wǎng)絡(luò)的去耦電容選擇方法進行了研究。首先對PCB的電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Delivery Network ,PDN）設(shè)計進行了詳細研究，詳細分析了PDN的結(jié)構(gòu)、模型以及去耦電容選擇方法對PDN的重要性。然后對現(xiàn)在常用的去耦電容選擇方法進行了分析研究，并提出一種新型的去耦電容選擇方法。最后通過仿真軟件對這幾種去耦電容選擇方法進行仿真，通過對仿真結(jié)果進行分析、對比，驗證本文采用的去耦電容選擇方法的可行性與優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：高速電路 去耦電容選擇方法 電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN） 電源完整性 仿真工具Spice

彭大芹

男，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，正高級工程師，主研互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)方向的終端協(xié)議和解決方案等。

許海嘯

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，在讀碩士研究生，主研高速電路設(shè)計與電源完整性研究。

1　引言

目前，隨著超高速集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，PCB設(shè)計技術(shù)也取得了十足進步[1]。眾所周知，PCB設(shè)計包括信號完整性設(shè)計、電源完整性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等，隨著供電電流的不斷增大，供電電壓的不斷減小，其中的電源完整性設(shè)計已經(jīng)變得越來越重要，尤其是對供電要求苛刻的高速電路系統(tǒng)[2]。電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）是移動終端系統(tǒng)中最復(fù)雜的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，所有器件都直接或間接的連接到PDN上，這使得PCB的PDN設(shè)計已經(jīng)成為電源完整性設(shè)計中最關(guān)鍵的中心一環(huán)，可以說，PDN的設(shè)計好壞決定了電源完整性設(shè)計的好壞，進而影響整個高速電路的供電系統(tǒng)，所以PDN設(shè)計已然成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點[4]。本文首先對PDN的基本結(jié)構(gòu)進行了詳細分析，重點分析了去耦電容模塊對PDN設(shè)計的重要影響。

PDN設(shè)計是電源完整性設(shè)計的核心之一，一個好的PDN設(shè)計必須可以保證負載芯片有一個穩(wěn)定、持續(xù)的電源供給，這是電源完整性的最終設(shè)計目的[5]。本文將去耦電容的選擇方法作為PDN設(shè)計的切入點，通過對現(xiàn)有的去耦電容選擇方法進行研究剖析，提出一種新型的去耦電容選擇方法，然后基于一款仿真軟件Spice，對幾種選擇方法進行仿真，最后通過仿真結(jié)果對比，驗證本文提出的新型去耦電容選擇方法的可行性及優(yōu)越性。

2　PDN基本結(jié)構(gòu)

2.1PDN基本結(jié)構(gòu)

PDN是指從電源輸出到最終耗電芯片，電流所經(jīng)過的所有結(jié)構(gòu)和器件組成的系統(tǒng)。對于典型的PCB系統(tǒng)來說，最基本的PDN包括四大部分：穩(wěn)壓模塊（VRM）、印制PCB板、去耦電容器、包含封裝的耗電芯片等?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PDN基本結(jié)構(gòu)

對PDN設(shè)計的首要和基本要求是，保持芯片焊盤間恒定的供電電壓，并使它能夠維持在一個很小的容差范圍內(nèi)，通常在5%以內(nèi)，從直流到高于1GHz的開關(guān)電流帶寬范圍內(nèi)，該電壓值都必須在其容差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。減小電源紋波最關(guān)鍵的是降低電流路徑上的阻抗值[6]。

其阻抗可由以下公式獲得

Z=2?π?f?l

由公式可以看出，回路電感制約著高頻率出的阻抗值。所以在進行高速電路PCB設(shè)計時，一定要注意減小電流路徑上的回路電感值，尤其在高頻信號的路徑上，只有這樣才能時刻滿足高速電路電源部分設(shè)計的要求。

2.2去耦電容對目標(biāo)阻抗的影響

圖2　電容頻率阻抗特性

因此選擇去耦電容時，必須充分利用其容性特性，并盡可能在其自諧振頻率之前使用，這樣可以獲得較低阻抗。

PDN的阻抗設(shè)計通常需要利用去耦電容的諧振特性，通過電容器的并聯(lián)組合以獲得最低的輸入阻抗。同種型號電容器的并聯(lián)頻率響應(yīng)如圖3。

圖3　同種電容并聯(lián)的頻率阻抗特性

實際應(yīng)用中的電容往往都是多個并聯(lián)使用，因為這樣可以大大降低等效的ESR和ESL，增大電容。對于多個（n）同樣值的電容來說，并聯(lián)使用之后，等效電容 C 變?yōu)?nC，等效電感 L 變?yōu)?L/n，等效 ESR 變?yōu)?R/n，但諧振頻率不變?？梢钥闯?，由于同種型號電容的自諧振頻率相同，并聯(lián)的電容數(shù)目越多，其容性、感性區(qū)域的阻抗越小，自諧振頻率點不變[7]。

在考慮將不同的容值電容并聯(lián)后，其頻率響應(yīng)如圖4。

可以看出，在各自的自諧振頻率點之間會引入新的反諧振點，但在該區(qū)域之外總的阻抗會減小。去耦電容的并聯(lián)組合通常用于PDN諧振的抑制。

圖4　不同電容并聯(lián)的頻率阻抗特性

3　去耦電容選擇方法研究

3.1去耦電容選擇方法分析

目前廠商對于PDN設(shè)計中的去耦電容沒有一個統(tǒng)一、有效的選擇方法，大多數(shù)廠商的選擇只是依照芯片廠商給出的參考設(shè)計照葫蘆畫瓢。經(jīng)常會出現(xiàn)PDN仿真不過的情況。本論文研究并仿真了一種常用的PDN電容選擇方法，并結(jié)合去耦電容的諧振頻率特性，提出了一種新的電容選擇方法，并進行了仿真對比[8]。

大‘V’法是目前常用的PDN電容選擇方法，它的出現(xiàn)促進了PDN去耦電容選擇方法的研究進程，對PDN目標(biāo)阻抗仿真起到了極大推進作用。

大‘V’法的基本思想是使用一種電容，通過并聯(lián)同種電容，產(chǎn)生足夠小的阻抗值。它的優(yōu)點是選擇方法簡單，簡化去耦電容選擇過程，可以很快的完成去耦電容的選擇。但是大‘V’也存在著不足，并不適用于所用類型的高速電路PDN設(shè)計。

本論文采用了一種新的去耦電容選擇方法，可以靈活的選擇最合適容值和數(shù)目的電容。該方法的核心是優(yōu)先抑制最高阻抗來靈活添加電容。通過檢測得出最高阻抗值，并與目標(biāo)阻抗進行對比，如果超出目標(biāo)阻抗，則添加對應(yīng)諧振頻率的去耦電容進行阻抗抑制。此種方法可以做到有的放矢，有極強的針對性，可以降低去耦電容的選擇數(shù)量，節(jié)省布板面積。

3.2PDN仿真及仿真結(jié)果分析

前面簡單分析了常用的兩種去耦電容選擇方法，接下來我們利用仿真工具Spice對PDN進行頻域上的仿真，通過查看它的頻率阻抗曲線，比較不同的去耦電容選擇方法對PDN阻抗所造成的影響。

圖5是仿真得到的未加去耦電容時的PDN頻率阻抗圖。由圖中可以看出，由于VRM輸出電感與電源/地平面間的平面電容發(fā)生了并聯(lián)諧振，在10MHz附近產(chǎn)生了并聯(lián)諧振峰，使此處的阻抗遠遠的超出了目標(biāo)阻抗值。

圖5　未加電容的頻率阻抗特性

首先我們對大‘V’法進行PDN的頻率阻抗仿真，表1是利用大‘V’法選擇出的去耦電容類型和數(shù)量。

表1　大‘V’法選擇的電容

由表1可以看出，大‘V’法只選擇了兩種容值的電容，除了22uf的濾波電容，另一種就是我們所要選擇的去耦電容，并且去耦電容竟然多達19個。

接下來在之前仿真的未加電容的頻率阻抗圖上添加上利用大‘V’法選擇的去耦電容，通過Spice仿真，可以得到圖6的新的頻率阻抗圖。

圖6　大‘V’法獲得電容的頻率阻抗

由圖6可以看出，添加了2個22uf濾波電容和19 個0.1uf去耦電容之后，此仿真實例的頻率阻抗還是在5MHz左右超出了目標(biāo)阻抗值，因此可以得到以下結(jié)論：大‘V’法可以簡化PDN去耦電容選擇過程，但是需要大量的去耦電容，對于有限的布板面積來說造成了大量浪費。

接下來我們對本文采用的新型去耦電容方法進行仿真驗證，表2是利用新方法選擇出的去耦電容類型和數(shù)量。

表2　新方法選擇的電容

對比表1可以看出，新方法選擇出的電容有更多的類型，但是總數(shù)目比大‘V’發(fā)大大減少，高達8個之多。

接下來在之前仿真的未見電容的頻率阻抗圖上添加利用新方法選擇的去耦電容，通過Spice仿真，可以得到圖7的新的頻率阻抗圖。

圖7　新方法獲得電容的頻率阻抗特性

由圖7可以看出，添加了2個22uf濾波電容和11個不同種類的去耦電容之后，此仿真實例的頻率阻抗在各個頻率區(qū)間都低于超出了目標(biāo)阻抗值，實現(xiàn)了仿真目的。因此可以得到以下結(jié)論：本文提出的新型去耦電容選擇方法可以大大節(jié)省去耦電容的數(shù)量，節(jié)省了大量的布板面積，并且可以獲得更好的頻率阻抗曲線。

參考文獻

1唐偉峰.電源分配網(wǎng)絡(luò)中電容器Spice建模，碩士學(xué)位論文.西安電子科技大學(xué)，2012

2丁同浩. 高速數(shù)字電路電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與噪聲抑制分析. 西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2012

3劉婷婷.電源分配網(wǎng)絡(luò)及電容器精確建模，碩士學(xué)位論文.西安電子科技大學(xué)，2011

4陳蘭兵，鐘章民，肖定如，王輝. Cadence 高速電路設(shè)計：Allegro Sigrity SI/PI/EMI 設(shè)計指南.電子工業(yè)出版社，2014

5Sigrity . 芯片封裝電源完整性技術(shù)講座. Sigrity公司，2008

6Madhavan Swaminathan, A.Ege Engin 著, 李玉山，張木水等譯. 芯片與系統(tǒng)的電源完整性建模與設(shè)計. 北京：電子工業(yè)出版社，2009,08

7于爭.電源完整性設(shè)計詳解.網(wǎng)上資料，2009

8Eric Bogatin著，李玉山，劉洋譯. 信號完整性與電源完整性分析（第二版）.電子工業(yè)出版社，2015

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.018

基金項目：國家科技重大專項，（NO.2012ZX03001012)

收稿日期：（2015-11-10）