電源完整性設計—怎樣合理選擇電容組合

前面我們提到過，瞬態電流的變化相當于階躍信號，具有很寬的頻譜。因而，要對這一電流需求補償，就必須在很寬的頻率范圍內提供足夠低的電源阻抗。但是，不同電容的有效頻率范圍不同，這和電容的諧振頻率有關(嚴格來說應該是安裝后的諧振頻率)，有效頻率范圍(電容能提供足夠低阻抗的頻率范圍)是諧振點附近一小段頻率。因此要在很寬的頻率范圍內提供足夠低的電源阻抗，就需要很多不同電容的組合。

　　你可能會說，只用一個容值，只要并聯電容數量足夠多，也能達到同樣低的阻抗。的確如此，但是在實際應用中你可以算一下，多數時候，所需要的電容數量很大。真要這樣做的話，可能你的電路板上密密麻麻的全是電容。既不專業，也沒必要。

　　選擇電容組合，要考慮的問題很多，比如選什么封裝、什么材質、多大的容值、容值的間隔多大、主時鐘頻率及其各次諧波頻率是多少、信號上升時間等等，這需要根據具體的設計來專門設計。

　　通常，用鉭電容或電解電容來進行板級低頻段去耦。電容量的計算方法前面講過了，需要提醒一點的是，最好用幾個或多個電容并聯以減小等效串聯電感。這兩種電容的Q值很低，頻率選擇性不強，非常適合板級濾波。

　　高頻小電容的選擇有些麻煩，需要分頻段計算?？梢园研枰ヱ畹念l率范圍分成幾段，每一段單獨計算，用多個相同容值電容并聯達到阻抗要求，不同頻段選擇的不同的電容值。但這種方法中，頻率段的劃分要根據計算的結果不斷調整。

　　一般劃分3到4個頻段就可以了，這樣需要3到4個容值等級。實際上，選擇的容值等級越多，阻抗特性越平坦，但是沒必要用非常多的容值等級，阻抗的平坦當然好，但是我們的最終目標是總阻抗小于目標阻抗，只要能滿足這個要求就行。

　　在某個等級中到底選擇那個容值，還要看系統時鐘頻率。前面講過，電容的并聯存在反諧振，設計時要注意，盡量不要讓時鐘頻率的各次諧波落在反諧振頻率附近。比如在零點幾微法等級上選擇0.47、0.22、0.1還是其他值，要計算以下安裝后的諧振頻率再來定。

　　還有一點要注意，容值的等級不要超過10倍。比如你可以選類似0.1、0.01 、0.001這樣的組合。因為這樣可以有效控制反諧振點阻抗的幅度，間隔太大，會使反諧振點阻抗很大。當然這不是絕對的，最好用軟件看一下，最終目標是反諧振點阻抗能滿足要求。

　　高頻小電容的選擇，要想得到最優組合，是一個反復迭代尋找最優解的過程。最好的辦法就是先粗略計算一下大致的組合，然后用電源完整性仿真軟件做仿真，再做局部調整，能滿足目標阻抗要求即可，這樣直觀方便，而且控制反諧振點比較容易。而且可以把電源平面的電容也加進來，聯合設計。

　　圖是一個電容組合的例子。這個組合中使用的電容為：2個680uF鉭電容，7個2.2uF陶瓷電容(0805封裝)，13個0.22uF陶瓷電容(0603封裝)，26個0.022uF陶瓷電容(0402封裝)。圖中，上部平坦的曲線是680uF電容的阻抗曲線，其他三個容值的曲線為圖中的三個V字型曲線，從左到右一次為2.2uF、0.22uF、0.022uF?？偟淖杩骨€為圖中底部的粗包絡線。

　　這個組合實現了在500kHz到150MHz范圍內保持電源阻抗在33毫歐以下。到500MHz頻率點處，阻抗上升到110毫歐。從圖中可見，反諧振點的阻抗控制得很低。

　　小電容的介質一般常規設計中都選則陶瓷電容。NP0介質電容的ESR要低得多，對于有更嚴格阻抗控制的局部可以使用，但是注意這種電容的Q值很高，可能引起嚴重的高頻振鈴，使用時要注意。

　　封裝的選擇，只要加工能力允許，當然越小越好，這樣可以得到更低的ESL，也可以留出更多的布線空間。但不同封裝，電容諧振頻率點不同，容值范圍也不同，可能影響到最終的電容數量。因此，電容封裝尺寸、容值要聯合考慮。總之最終目標是，用最少的電容達到目標阻抗要求，減輕安裝和布線的壓力。