【導(dǎo)讀】在數(shù)字系統(tǒng)中，PCB 的電源分配網(wǎng)絡(luò) (power delivery network，即 PDN) 需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗值，以確保在數(shù)字器件運行時，電壓波動能保持在較低水平。決定 PDN 阻抗的因素有很多，不單單是數(shù)字處理器中用于穩(wěn)定功率輸出的電容器。在工作頻率達(dá)到 GHz 級別的先進(jìn)系統(tǒng)中，PDN 阻抗不僅受到電容器的影響，還有很多因素會決定 PDN 阻抗，即便在非常高的頻率下也是如此。
在數(shù)字系統(tǒng)中，PCB 的電源分配網(wǎng)絡(luò) (power delivery network，即 PDN) 需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗值，以確保在數(shù)字器件運行時，電壓波動能保持在較低水平。決定 PDN 阻抗的因素有很多，不單單是數(shù)字處理器中用于穩(wěn)定功率輸出的電容器。在工作頻率達(dá)到 GHz 級別的先進(jìn)系統(tǒng)中，PDN 阻抗不僅受到電容器的影響，還有很多因素會決定 PDN 阻抗，即便在非常高的頻率下也是如此。
SMD 電容器（頻率范圍最高 10-100 MHz）
電容器是決定 PDN 阻抗并確保穩(wěn)定功率傳輸?shù)闹饕４蠖鄶?shù)市售電容器都能保持較低的 PDN 阻抗，但它們所能達(dá)到的頻率范圍取決于以下多種因素：
電容值
ESR 和 ESL 值（決定自諧振頻率）
SMD 電容器外殼尺寸
要判斷電容器能否確保 PDN 阻抗維持在較低水平，最終考慮的頻率范圍是電容器的自諧振頻率范圍?？傮w來說，較小的外殼尺寸和較低的電容值可提供較高的自諧振頻率。
有些電容器是專門針對非常高的頻率設(shè)計的，如 RF 電路中使用的電容器。讓我們通過一個例子來了解一下這些電容器開始產(chǎn)生電感的頻率范圍。我們可以看到，這些電容器的自諧振頻率因外殼尺寸而異，可以達(dá)到非常高的數(shù)值（理論上而言）。實際上，并非所有電容器都能達(dá)到如下所示的極高諧振頻率。我們將在下文中詳細(xì)說明。
不同外殼尺寸下高頻電容器的自諧振頻率變化趨勢。
平面對（頻率范圍接近 100 MHz-1 GHz）
當(dāng) PDN 阻抗曲線接近 100 MHz 的范圍時，電容器將停止供電，而 PDN 阻抗曲線將由平面電容決定。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)需要較大的電流時，會使用電源-接地平面對，這樣也是為了提供較高的電容，以便在極高的諧振頻率下仍能保持電容阻抗。平面的功率輸出能力取決于電源-接地平面對中的擴(kuò)散電感 (spreading inductance)。
最終，在非常高的頻率（數(shù)十 Ghz）下，平面將開始共振并從邊緣散發(fā)輻射。這時，平面對中的材料選擇和電介質(zhì)厚度成為影響 PDN 阻抗和噪聲發(fā)射的主要因素。
封裝（頻率范圍從 100 MHz 到 1 GHz）
先進(jìn)數(shù)字器件的封裝可包含自身的電容，以便在 GHz 范圍內(nèi)以較低的阻抗傳輸功率。這些器件可對 PCB 上的平面對進(jìn)行補償，因為平面對在 GHz 頻率下可能會產(chǎn)生電感。
此類封裝包括片式電容器，可能還包括嵌入式電容器，以確保穩(wěn)定的功率傳輸和較低的 PDN 阻抗，直接作用于器件封裝中的半導(dǎo)體裸片。將這些電容直接置于封裝上，可避免 PCB 上的焊盤和過孔產(chǎn)生電感，還可避免 BGA/LGA 封裝中的引腳電感。
CPU 封裝可包含自身的 PDN 元件，以便在低阻抗下實現(xiàn)功率傳輸。
裸片電容（頻率范圍大約在 1 GHz 以上）
半導(dǎo)體裸片可提供自身的電容，通常在裸片上直接提供總計 pF 級別的電容。該電容的好處是直接位于裸片上，電感極小，可為數(shù)字接口供電。這是在 1 GHz 或以上的頻率下提供電容的最佳用例，以便支持速度最快的數(shù)字接口。
PCB 材料（所有頻率）
任何 PCB 材料都會影響電磁波的傳播，從而影響 PDN 阻抗曲線。我們在上文介紹電源-接地平面對時說過，在數(shù)十 GHz 頻率下，平面區(qū)域會像平行板諧振器一樣開始共振。
為確保電源-接地平面對發(fā)揮最大作用，分隔二者的材料應(yīng)具備一些重要特性：
首選高 Dk 值的材料，因為它們能提供更高的電容
損耗正切值適中或較高，以抑制噪音
首選薄層材料，以獲得更高的電容和更高的諧振截止頻率
使用非常薄的高 Dk 值電介質(zhì)（如嵌入式電容材料），可以減少振蕩 PDN 的輻射發(fā)射，并提高總平面電容。這些材料的成本較高，但在高帶寬、高功率的數(shù)字系統(tǒng)中卻經(jīng)常需要。
總結(jié)
我們通過下表總結(jié)了 PDN 的各個部分及其對頻率的影響。
電源完整性的最后一個關(guān)鍵因素與 PCB 完全無關(guān)，這個因素是電源穩(wěn)壓器或 VRM 的頻率響應(yīng)能力。VRM 電路通過控制環(huán)路確保穩(wěn)定的輸出電壓，而 VRM 的頻率響應(yīng)需要足夠快，以便抑制功率輸出可能存在的噪聲。如果電源軌上出現(xiàn)快速瞬變，VRM 就不能進(jìn)入持續(xù)振蕩狀態(tài)。在為大型數(shù)字處理器設(shè)計高電流/低電壓電源穩(wěn)壓器時，瞬變下的測量值應(yīng)滿足要求。
PDN 阻抗設(shè)計是一項挑戰(zhàn)，但了解 PDN 阻抗的頻率范圍可幫助設(shè)計人員做出正確的工程設(shè)計選擇，以實現(xiàn)較低的 PDN 阻抗。
文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心
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