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(jì)算
 

電容與安裝電感
 

電容位置
 

 

碰到過好些設(shè)計(jì)要求里面寫著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(shè)計(jì)中遵守這個規(guī)則，我們這次就一起來看看這個規(guī)則的實(shí)用場合。

 

單、雙面板設(shè)計(jì)的時候，沒有電源、地平面。電源、地網(wǎng)絡(luò)是通過走線來進(jìn)行連接的，這個時候在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如圖1所示

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

 

但是，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)有什么區(qū)別呢？大部分設(shè)計(jì)采用多層板層疊方式，也就是我們有了專門的電源、地平面了；在大多數(shù)的層疊教材中，都會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，我們的電源、地緊耦合形成平板電容；同時系統(tǒng)的工作頻率越來越高，工作時電源噪聲的頻率如果考慮諧波分量的話，動輒幾個G HZ。

 

那么，在以上幾個變化的設(shè)計(jì)條件下，如果我們還堅(jiān)持按照圖2的方式，電源和地網(wǎng)絡(luò)通過過孔連接到濾波電容，然后通過濾波電容連接到芯片，這樣的設(shè)計(jì)存在哪些問題呢？

圖2的設(shè)計(jì)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(yīng)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。

我們從兩個角度來理解電源設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

一個是傳統(tǒng)的儲能角度，另一個是頻域的PDN阻抗角度。

從儲能角度來說，VRM是蓄水池，Buck電容是我們挑回來放在水缸的水，那么板上的小濾波電容就是水瓢，這時候我們先忽略芯片內(nèi)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(nèi)部儲存的水）。那么N年前，當(dāng)我們身體缺水，口渴的時候，拿著水瓢從水缸舀起水來解渴，如果實(shí)在不著急，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）。

可惜好時光的那年已經(jīng)匆匆而過了。現(xiàn)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成了自來水廠，Bulk電容就是設(shè)在小區(qū)的水塔，通過自來水管接到我們家里，我們用水壺（小濾波電容）來接水，燒開之后倒在杯子（平板電容）里，口渴的時候，只能用杯子喝水了。當(dāng)然如果不著急，又想表現(xiàn)豪爽，直接對著水壺喝水也沒問題。

 

例子不是100%恰當(dāng)，只是說明一個問題，現(xiàn)在的PDN設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，甚至是8層以上（電源、地板間距離較小）設(shè)計(jì)，這時候還限定電源地用電強(qiáng)制經(jīng)過濾波電容，已經(jīng)是不合理了）

 

圖4是常見的電容與芯片的Fan out設(shè)計(jì)方案，我們不需要限定用電經(jīng)過電容到達(dá)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）。簡單來說，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。

電源的事情讓無數(shù)工程師頭痛，大家想盡辦法來讓電源變得“干凈”，濾波電容設(shè)計(jì)是其一，還有磁珠隔離等其他手段，我們會一一道來。下一節(jié)就是從PDN角度來看電源濾波及電容設(shè)計(jì)。