电容搞搞”振“，PDN有帮衬

只看该作者 · 2023-11-21 10:01

高速先生成员--姜杰

聊电容，不能只聊电容，还要聊电阻和电感。看似很简单，其实，一点都不难。

因为去耦电容的模型基本都可以用下面三种元素的简单组合来表示。

理想电容C的阻抗是随频率的增加而逐渐减小的一条斜线，实际上由于电容中等效寄生电阻（ESR）和等效寄生电感（ESL）的搅局，问题开始变得复杂。不同的电容自谐振频点不同，谐振点阻抗各异，滤波频段也有区别……

看似很复杂，其实，很简单。

电容搞搞“振”，第一“振”来自同一电容ESR\ESL\C的串联谐振（也叫做自谐振）。

先来看看电容模型的各参数是如何影响阻抗曲线的。对于电容容值C，不难发现，相同ESR和ESL的情况下，随着容值的增加，自谐振频点向低频移动，同时，滤波频段也会加宽。

接下来再看哈ESL的影响。在保持其它参数不变的情况下，随着ESL的增加，自谐振频点向低频移动，同时，滤波频段也会随着变小。

需要注意的是，ESR的情况会复杂一些，因为它是一个频变的参数。

ESR随频率变化的趋势与该电容的阻抗变化一致。

不过，为了简化问题，我们这里先把ESR作为一个常数，它的变化对阻抗曲线的影响如下图。

对比上面几个图，我们会发现一个有趣的现象，那就是电容自谐振频点的ESR基本决定了阻抗的最小值。

以上只是单一容值电容的阻抗曲线。了解PDN阻抗曲线的童鞋会发现常见情况并非如此，而是像人生一样总是起起伏伏。

其实，这是容值不同的电容并联谐振的结果，也是本文要说的第二“振”。

分析起来也很简单，当一个电容的感性区遇上另一个电容的容性区，谐振峰就出现了。

综合考虑VRM和芯片内去耦，如果说第一“振”决定了阻抗曲线的波谷，第二“振”通常确定了阻抗曲线的波峰。

电容种类这么多，原理图设计或者备料出错的机会大大增加，作为一名设计攻城狮，希望板子简单点，精简一些电容，这个要求并不过分吧？

说干就干，在前文三种电容并联的基础上，去掉100nF的电容，看看会怎样。

这么看，除了在100nF的去耦频段出现一个谐振峰，好像也没什么问题，毕竟，这个峰值也没那么高。我们继续把VRM和芯片内去耦模型加上，看全链路的情况。

See？高速先生一直强调的调整电容要合理真不是吓唬你。

当然，这个例子只是为了凸显电容影响而挑选的极端情况。

电容不是老虎屁股，一点摸不得，具体种类和数量可以通过仿真进行优化，是增是减，It depends！

对于电容相关的电感参数，除了电容自身的ESL，还需要关注什么？