原来你是这样的PDN

admin

文 | 陈亮
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:
) L2 h4 r6 \+ d% j7 _; ]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

6 L, L7 Q6 g6 j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：

1 a0 C% o- `4 [# \+ o

XL 电感感抗直

1 i' r2 K0 D. f2 N9 m

ω 角速度

f 频率

L 电感

  M: ?' F4 \5 s* i电容的阻抗=寄生电阻+（感抗-容抗）
从公式可以总结以下三点：
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。
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：
. H4 p! l7 M! ?  e* ~- u& U

' F( O% O4 x6 q3 O) ^
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。


- d+ g* ?' i9 @% k0 n1 t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。
) c; i9 v( H3 M" O/ u8 u" _— end —

, R; j  b9 ?" [- d% {本期提问

4 G1 T# @1 j. D. l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！