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設(shè)計電源是否必須從濾波電容進(jìn)入芯片管腳(1)?

發(fā)布時間:2015-01-22 來源:吳均 一博科技 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】碰到過好些電源設(shè)計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際設(shè)計中遵守這個規(guī)則,我們這次就一起來看看這個規(guī)則的實用場合。
 
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
 
電容的諧振頻率計算
 
電容與安裝電感
 
電容位置
 
電容的容值選擇,種類與數(shù)量
 
碰到過好些設(shè)計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際設(shè)計中遵守這個規(guī)則,我們這次就一起來看看這個規(guī)則的實用場合。
 
單、雙面板設(shè)計的時候,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)計如圖1所示
電源和地先走到濾波電容
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現(xiàn)濾除。
 
但是,現(xiàn)在的設(shè)計有什么區(qū)別呢?大部分設(shè)計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)計條件下,如果我們還堅持按照圖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)計存在哪些問題呢?
設(shè)計方式
圖2的設(shè)計方式,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。
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我們從兩個角度來理解電源設(shè)計的目標(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)。
理解電源設(shè)計
可惜好時光的那年已經(jīng)匆匆而過了?,F(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,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,甚至是8層以上(電源、地板間距離較?。┰O(shè)計,這時候還限定電源地用電強制經(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。
常見的電容與芯片的Fan out設(shè)計方案
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。
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