【詳解直流穩(wěn)壓電源完整性方案】PDN阻抗是隨頻率變化而變化
2017-6-27 9:25:01??????點(diǎn)擊：
上一篇文章里已經(jīng)大概介紹了一下，由于CMOS直流穩(wěn)壓電源電路的直流穩(wěn)壓電源電流會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，而直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)又對(duì)不同頻率的直流穩(wěn)壓電源電流信號(hào)表現(xiàn)出不同的阻抗，這些變化的直流穩(wěn)壓電源電流和變化的阻抗最終形成了直流穩(wěn)壓電源噪聲。所以這一節(jié)我們就詳細(xì)分解一下直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)，看看直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)都有哪些部分。通常情況下，一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)主要包含四個(gè)部分： 直流穩(wěn)壓電源電壓調(diào)節(jié)器（也就是我們通常說(shuō)的直流穩(wěn)壓電源變換直流穩(wěn)壓電源電路），PCB，封裝以及硅片，如下圖所示：
每次當(dāng)芯片上的直流穩(wěn)壓電源電路有翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬變的動(dòng)態(tài)直流穩(wěn)壓電源電流需求，而外部的供電系統(tǒng)就通過(guò)這個(gè)直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)來(lái)給芯片上的直流穩(wěn)壓電源電路來(lái)提供芯片所需要的直流穩(wěn)壓電源電流。事實(shí)上直流穩(wěn)壓電源分布網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組件并不是0阻抗的。阻抗就會(huì)在有瞬間直流穩(wěn)壓電源電流時(shí)，形成直流穩(wěn)壓電源電壓的波動(dòng)（直流穩(wěn)壓電源電壓噪聲），因此我們可以通過(guò)等效的集總RLC直流穩(wěn)壓電源電路來(lái)反映PDN網(wǎng)絡(luò)中的各組件的阻抗情況，如下圖所示。
直流穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換器
對(duì)于一階分析，我們可以使用一個(gè)電阻串聯(lián)一個(gè)電感來(lái)作為直流穩(wěn)壓電源電壓轉(zhuǎn)換器Voltage Regulator Module (VRM)的模型。如圖\ref{ref_VRM_model}所示，等效直流穩(wěn)壓電源電路及仿真的頻率響應(yīng)。
從低頻到最高50 KHz， VRM為低阻狀態(tài)，能夠滿足芯片瞬態(tài)的直流穩(wěn)壓電源電流需求。但是在更高的頻率，VRM的阻抗以感抗為主導(dǎo)，導(dǎo)致直流穩(wěn)壓電源不能滿足稍高頻瞬態(tài)的直流穩(wěn)壓電源電流需求。通常可以從VRM的廠商處得到VRM的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。
直流穩(wěn)壓電源去耦電容
去耦電容是我們進(jìn)行PDN設(shè)計(jì)的一個(gè)重要工具，我們有必要了解一下電容。首先，我們來(lái)看一個(gè)電容的阻抗曲線。對(duì)于任何一個(gè)實(shí)際的電容，都有一些串聯(lián)寄生電阻和串聯(lián)寄生電感。如果我們進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略并行的直流和交流漏直流穩(wěn)壓電源電流，我們可以得到一個(gè)串聯(lián)的C-R-L等效直流穩(wěn)壓電源電路，如下圖a所示。我們可以通過(guò)下面的公式求得阻抗：
如下圖b我們繪制出電容阻抗的幅度曲線和相位曲線。
可以看到這個(gè)電容的串行諧振頻率為356 khz，在串行諧振頻率以下，阻抗主要體現(xiàn)為容抗，阻抗幅度隨著頻率增高而降低。在串行諧振頻率上，容抗與感抗相互抵消，相位時(shí)0，阻抗幅度為R。在串行諧振頻率以上，感抗占主導(dǎo)位置，隨著頻率增高，阻抗增大。
電容的等效串聯(lián)電感和生產(chǎn)工藝和封裝尺寸有關(guān)，同一個(gè)廠家的同種封裝尺寸的電容，其等效串聯(lián)電感基本相同。通常小封裝的電容等效串聯(lián)電感更低，寬體封裝的電容比窄體封裝的電容有更低的等效串聯(lián)電感。
所以板上的BULK電容通常是一些容量比較大的電容，通常是坦電容或電解電容。這類電容有很低的ESL，但是ESR很高，因此Q值很低，具有很寬的有效頻率范圍，非常適合板級(jí)直流穩(wěn)壓電源濾波。
而PCB上的去耦電容通常選擇陶瓷電容，陶瓷電容一般具有比較小的封裝。作為去耦電容，封裝越小，寄生電感越小，當(dāng)然去耦效果越好。
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