如何實現(xiàn)一個低阻抗的電源分配系統(tǒng)

在業(yè)界流行的PCB設(shè)計方法中，電源和地都采用獨立的平面實現(xiàn)，而且它們都是面對面放置的。在理想情況下，兩個平面之間構(gòu)成一個純粹的電容，平面之間對交流信號來說是短路的，平面之間的交流阻抗為0，任何流經(jīng)兩個平面之間的瞬態(tài)電流都不會給電源地平面帶來噪聲波動。

但事實上卻不是這么簡單。一對平面在低頻下可以作為一個電容器來看，而在高頻下其模型就復雜很多，看起來就像一個二維的傳輸線，如下圖：

電源和地平面簡化模型

與傳輸線特性一樣，電源噪聲波動在傳到電源地平面的邊緣時，同樣將發(fā)生反射的現(xiàn)象，反射回來的噪聲可能會在平面內(nèi)部發(fā)生諧振。

下面將通過一個典型的電源平面和去耦電容的效果來說明如何實現(xiàn)一個低阻抗的電源分配系統(tǒng)，如下圖所示，由兩個平面組成的電源和地平面對(pair)，在平面的B點處是一個電壓調(diào)整器，給單板提供電源，在A點處是一個觀察點，用來觀察頻率響應特性。以下說明的頻率響應特性曲線都是基于這個假想點得到的。

一個電源平面

考慮一個特殊的電源地平面，其在40MHz以下阻抗與平面的電容值基本吻合，而在40MHz以上，平面內(nèi)部的固有諧振占據(jù)了主要因素，如下圖：

一個電源地平面的頻率響應曲線

如果給該系統(tǒng)加入一個電壓調(diào)整器，由于電壓調(diào)整器存在串聯(lián)的電感，在較低頻率處，電壓調(diào)整器串聯(lián)電感與平面的固有電容可能會產(chǎn)生并聯(lián)諧振尖峰，如下圖：

加入電壓調(diào)整器的電源地平面的頻率響應

顯然，這樣的頻率響應無法使我們滿意，那么接下來，我們通過增加去耦電容，嘗試去改善電源系統(tǒng)的頻率響應特性。

首先考慮分離電容器的特性。實際上，電容器并不是一個純粹的電容，由于各種寄生效應，分離電容器可以簡單表示為一個電容、電感和電阻串聯(lián)的結(jié)果，如下圖：

電容器的等效模型

這樣的電容器的等效模型，其頻率響應曲線中，在某個特定的頻率下，ESL和C的阻抗大小相等，符號相反，于是兩者發(fā)生諧振，我們稱這個頻率為諧振頻率。在上圖所示中，兩條斜線的交叉點即為電容的諧振頻率點。電容器在諧振頻率所表現(xiàn)出的阻抗僅僅是ESR的阻抗，如上圖頻率響應曲線的最低阻抗點。而在這個頻率以下，電容器表現(xiàn)出C的特性，在這個頻率以上，電容器表現(xiàn)出ESL特性。

不同的電容器具有不同的ESR、ESL和C參數(shù)，通常容值較小的電容具有更高的諧振頻率。如果多個容值不同的電容器同時存在于PCB中，也就是并聯(lián)在一起，這些電容器之間很有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振點的阻抗相當高。這是選擇多個電容器時應當盡量避免的，如下圖所示：

電容之間發(fā)生并聯(lián)諧振

不同電容值的頻率響應曲線示意圖。如下：

分立電容器的頻率響應

選擇一定數(shù)量的容值電容組合在一起，加到電源和地平面之間。一般來說，大電容的數(shù)量較少，小電容的數(shù)量要多一些。例如采用1個2.2uF，2個0.47uF···，4個33nF，8個10nF，16個2.7nF，24個1nF的。我們所要達到的目的是整個電源分配系統(tǒng)在較寬的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗，也就是說，在這些頻率范圍內(nèi)的噪聲，都只會在整個電源分配系統(tǒng)中引起小幅度的波動，不會造成大的影響。

下圖所示加上這些去耦電容后，電源平面可能的頻率響應結(jié)果。

去耦電容的作用

從上圖可以看出一般的規(guī)律。

1、? 去耦電容在低頻范圍內(nèi)有效的降低了系統(tǒng)阻抗。

2、? 有效利用去耦電容，可以把平面的固有諧振頻率點移到幾百兆赫茲以上。

3、? 在非常高的頻率范圍 ，如1GHz左右，分立的電容起的作用不太明顯，平面本身的固有諧振占主導地位。

要說明的是，這里使用的電容組合并不是這個系統(tǒng)中最優(yōu)化的，而且在別的系統(tǒng)中效果不一定一樣。我們只是為了通過改變?nèi)ヱ铍娙莸慕M合來分析其可能對電源分配系統(tǒng)造成的影響。實際上，在具體的實例中，電源地平面和去耦電容所帶來的效果不盡相同，不能生搬硬套。

去耦電容的影響并不能定量的描述出來，簡單系統(tǒng)可以通過直觀的概念推論出來。而在負載的系統(tǒng)中，特別是多層電源和地，非常多的去耦電容，必須通過仿真和測試來確定去耦電容的實際效果。
作者：杭州卿萃科技ALIFPGA