PCB设计误区一：电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚（终结篇）
高速先生2018-06-22 10:07
作者：吴均 一博科技高速先生团队队长
承前：从过滤水的流程来看电源滤波的指导思想，及引出电源供电网络轨道PDN。
本节：从PDN的角度，看看滤波电容在电源噪声滤除时起到什么作用，同时讨论下电容的特性，谐振频率，安装电感等。
这一篇是“电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚”的最后一篇，换个方式，先来开门见山，亮出观点和结论，再逐一解释：
1.随着系统工作频率的提升，PDN噪声对应的频段也在提高
2.滤波电容的谐振频率点变化不大，比如说，常见的0.1uf的电容，考虑了安装电感之后，谐振频率点基本都在10~15M之间，滤除噪声的作用范围有限
3.随着多层板的普及，平板电容在板级扮演着高频电容的角色
4.封装内电容和Die电容，对高频噪声起决定作用
第一条不需要解释，我们从频域来考虑PDN问题的时候，噪声的频谱分布范围最好能覆盖到信号的截止频率。
第二条，我们来看看常见电容的谐振频率点以及安装电感的评估。
图1是一个Murata 0402封装，0.1uf电容的参数，谐振频率25M左右
图1
图2是把电容安装到一个6层板上面，层叠如左图所示，4、5层是电源地平面对，右图是安装之后仿真的谐振频率，大约是10M左右
图2
通过简单的计算，我们就可以评估出电容的安装电感。
电容谐振频率的计算公式：
原始电容的谐振频率为：
安装之后的谐振频率为10.1427 MHZ，假定电容值不变，这样反推出来电感为2.4597 nH，本例中安装电感大小约为2.07nH。
从图3可以看出，电容在谐振频率点之后呈现感性，电容起作用的频率范围不会超过谐振频率点的2~3倍。
图3
第三条，板级更高频率的噪声怎么办？多层板设计时注意电源地之间紧耦合，可以成为更加高频的平板间电容。
图4是2013年高速先生团队在研究埋容设计的案例，给出了几种不同电源地间距的平板阻抗曲线：
电源地间距28.31mil，电源地耦合较差，波形为红色
电源地间距4.2mil，增加电源地耦合，波形为绿色
使用埋容材料3M_C Ply，间距0.56mil，波形为蓝色
能看到平板电容谐振频率点较高，一般在200M以上，能有效应对几百兆的高频电源噪声。
图4
第四条，封装电容和Die电容这里不做太多描述，只给出一个实际案例，图5是某芯片，Die电容大小为2071NF。能看到Die电容起作用之后，30M以上的PDN阻抗基本完全被压下来了。也就是说，30M以上的电源噪声，进入芯片之后被Die电容滤除。系统设计时不需要考虑这个频段以上的滤波。
图5
“铁路工人，各管一段”，滤波电容作为PDN的一个组成部分，只涵盖了部分频段的滤波效果。设计的时候，不需要特别指定电源必须从滤波电容进入芯片管脚。因为这样设计往往会增加整体的安装电感，反而影响滤波效果。
关于滤波电容正确的Fan out方式，会在高速先生其他系列的文章里面进行讨论，敬请期待。
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