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文 | 陈亮. F8 N! x) ~) u/ O( t
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。
4 [8 i* t4 |1 V7 q+ o/ `1 }9 T![]() 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。/ Q" |1 U n" Z: a* d: d
实际电容器模型表示如下:
! O. l, @# X. @& d! z6 V![]() 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！6 m; h- l& z2 D# Y) p3 s2 o
( {8 Y2 z9 [9 g, R w7 f. G! d$ Y0 \- g' V% Q5 b6 q" W+ U
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。
7 w+ y3 V# s$ g& f5 }容抗公式：
" X; j, z" p( e' [' y; J4 IXc电容容抗值 b/ }4 @$ J+ [. O* m. k( ]5 }$ U
ω角速度 : L6 }* C* ]/ g2 ~' g+ j. `$ L
π圆周率 " b1 x0 u- m( b$ W
f 频率 % u; c" w6 U: {9 m: o$ D
C电容值 法拉
7 q/ O2 C8 K; k: |4 P![]() 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。' g4 q: f$ d! c0 d& C3 l
感抗公式：
/ y4 g& @: c0 AXL 电感感抗直
2 d& h/ f$ }" C6 ]$ M& iω 角速度 . I" @9 S' _9 h) k! x
f 频率
8 H: m, p5 a- p* `' C/ h* P6 _L 电感
( i5 g& y2 e, C% ]& l![]() 电容的阻抗=寄生电阻+（感抗-容抗）; j8 {" `" G+ X3 \1 x D- \7 V5 `
![]() 从公式可以总结以下三点：
6 A5 o5 ?/ G( w4 F![]() 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。) ?$ O* p/ j. u; B
![]() 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：
/ s2 R* y4 F& S2 X# a4 d/ [: c& A- P/ Z7 F* l' {! n
![]()
. M8 N- q5 i1 x" T5 r% m4 L0 g2 F y/ g
电源PDN阻抗曲线就是PCB滤波能力的直观体现(划重点)。. ?! }7 U- t3 v- e5 Q+ i) B! y- @
) @% K7 ]- E& _1 |" h, q5 v0 S9 F( \+ r( e( a
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。6 L: [0 l& z( X# J
! E( K# I5 D7 ^2 T9 B1 F9 x" h
" ^# x0 x% y! F( N3 q6 I( E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。" N6 W" `; V- O/ Z! U
— end —& x* w! \8 A8 P3 E( A: G+ O
. i) c4 S* X* M. l0 R, r本期提问
/ L y/ V K0 p- `! M4 b& f6 I; Y, t1 y6 v2 d3 [: x) Y
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！ |
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发表于 2019-9-27 15:12
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