原来你是这样的PDN

来源:一博科技 时间:2019-3-18 类别:微信自媒体

说起PDN想必大家都不陌生。在PCB电源趋于低电压、大电流的今天,电源分配网络(Power Delivery Network)设计就显得尤为重要。要保证系统稳定的运行,除了要考虑电源的直流压降,还需要考虑电源噪声是否满足系统要求。每个工程师都希望自己项目的电源都能和自己一样,安静的当一个的美男子。


看过《谜一样的电容》的小伙伴都明白,利用电容的隔直通交属性,可以将DC电源中的交流噪声短路进GND来达到滤波的效果。理论上一个电容就能将所有的噪声都滤除,但是理想很丰满,现实很骨感。之前为了方便理解电容的特性,我们使用的都是理想电容模型,而实际电容器除了电容之外还有另外的寄生参数。分别是等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)。这两个寄生参数与电容一起构成一个等效电路,影响着电容的实际滤波效果。

实际电容器模型表示如下: 

要了解寄生参数是怎么影响电容的滤波效果,就需要引入容抗和感抗。因为寄生参数变化会使容抗、感抗随之变化,进而影响电容的滤波能力。想了解变化原理的同学就仔细看下公式,不想看公式的同学直接看黑体笔记吧!

容抗:交流电路中,电荷在电路中做周期性的往返运动,电荷的运动速度与电压、电容和频率成正比关系,将电容和频率相乘,则得到一个类似于电阻的量,由于没有热的产生,因此将这一量称为容抗,容抗的单位和电阻单位一样,也是欧姆。
容抗公式:      
Xc电容容抗值
ω角速度
π圆周率
f 频率
C电容值 法拉


感抗:因为电感对交流电有阻碍作用,所以把电感与频率的合成效应称为感抗。单位和容抗一样都是欧姆。

感抗公式:
XL 电感感抗直
ω 角速度 
f 频率
L 电感


电容的阻抗=寄生电阻+(感抗-容抗)



从公式可以总结以下三点:

频率很低时:        (感抗)小于        (容抗),电容阻抗随频率增加而减小,复阻抗为负值,电流超前于电压,呈电容特性。 
频率很高时:        (感抗)大于        (容抗),电容阻抗随频率增加而增加,复阻抗为正值,电压超前于电流,呈电感特性。
当在某一频率,   
      (感抗)等于        (容抗),容抗与感抗抵消,只剩下等效串联电阻,此频率点电容的滤波效果最好,这个频率点被称为电容的谐振频率。

由于容抗和感抗的影响,导致实际电容器的阻抗会随频率变化而变化。

电容阻抗曲线:                                                                        电容的谐振频率公式。


因为寄生参数对电容的影响,导致实际电容器只有在谐振频率点附近频段,才具有很好的滤波效果。根据电容阻抗公式可以知道容量大的电容谐振频率点较低低,容量小的电容谐振频率点较高。通过将不同容量的电容并联使用,让不同的谐振频率覆盖工作频段,使工作频段整体都能获得很好的滤波效果。这就是电源通常需要使用大小不同的电容进行组合滤波的原因,由多种大小不同的电容阻抗曲线组合成的包线就是电源PDN阻抗曲线。如下图红色曲线:


 

电源PDN阻抗曲线就是PCB滤波能力的直观体现(划重点)。

通过使用频域目标阻抗法分析PDN阻抗曲线,判断我的PCB滤波能力是否满足系统对电源质量的要求。说到这有的小伙伴就要问了,如果有的频段PDN阻抗不满足怎么办,通常我们增加该谐振频率的电容,或者调整周围频段的电容搭配降低该频段的阻抗。

由于电源PDN曲线并不是固定不变的。电容自身封装大小、容值公差等因素都会影响电容的阻抗曲线。除了器件自身的影响,设计引入的安装电感,也会使电容的阻抗曲线偏移。不良设计会引入过量的安装电感,甚至会使电容失去滤波效果。由于低电压、大电流的电源对滤波能力要求更高,PDN阻抗裕量更小。所以需要通过仿真得到准确的电源PDN阻抗曲线。

提问:良好的设计能避免引入过量的安装电感,那设计中有哪些方法可以减小电容的安装电感呢?欢迎各位小伙伴们加入评论留言区的互动!

上一篇:实例解析说压降下一篇:学习笔记之LTI