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电源完整性设计需要多大的电容量

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需要多大的电容量
有两种方法确定所需的电容量。第一种方法利用电源驱动的负载计算电容量。这种方法没有考虑ESL及ESR的影响,因此很不精确,但是对理解电容量的选择有好处。第二种方法就是利用目标阻抗(Target Impedance)来计算总电容量,这是业界通用的方法,得到了广泛验证。你可以先用这种方法来计算,然后做局部微调,能达到很好的效果,如何进行局部微调,是一个更高级的话题。下面分别介绍两种方法。
方法一:利用电源驱动的负载计算电容量
设负载(容性)为30pF,要在2ns内从0V驱动到3.3V,瞬态电流为:
(公式5)
如果共有36个这样的负载需要驱动,则瞬态电流为:36*49.5mA=1.782A。假设容许电压波动为:3.3*2.5%=82.5 mV,所需电容量为
C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825V=43.2nF
说明:所加的电容实际上作为抑制电压波纹的储能元件,该电容必须在2ns内为负载提供1.782A的电流,同时电压下降不能超过82.5 mV,因此电容值应根据82.5 mV来计算。记住:电容放电给负载提供电流,其本身电压也会下降,但是电压下降的量不能超过82.5 mV(容许的电压波纹)。这种计算没什么实际意义,之所以放在这里说一下,是为了让大家对去耦原理认识更深。
方法二:利用目标阻抗计算电容量(设计思想很严谨,要吃透)
为了清楚的说明电容量的计算方法,我们用一个例子。要去耦的电源为1.2V,容许电压波动为2.5%,最大瞬态电流600mA,
第一步:计算目标阻抗
第二步:确定稳压电源频率响应范围。
和具体使用的电源片子有关,通常在DC到几百kHz之间。这里设为DC到100kHz。在100kHz以下时,电源芯片能很好的对瞬态电流做出反应,高于100kHz时,表现为很高的阻抗,如果没有外加电容,电源波动将超过允许的2.5%。为了在高于100kHz时仍满足电压波动小于2.5%要求,应该加多大的电容?
第三步:计算bulk电容量
当频率处于电容自谐振点以下时,电容的阻抗可近似表示为:
频率f越高,阻抗越小,频率越低,阻抗越大。在感兴趣的频率范围内,电容的最大阻抗不能超过目标阻抗,因此使用100kHz计算(电容起作用的频率范围的最低频率,对应电容最高阻抗)。
第四步:计算bulk电容的最高有效频率
当频率处于电容自谐振点以上时,电容的阻抗可近似表示为:
频率f越高,阻抗越大,但阻抗不能超过目标阻抗。假设ESL为5nH,则最高有效频率为:。这样一个大的电容能够让我们把电源阻抗在100kHz到1.6MHz之间控制在目标阻抗之下。当频率高于1.6MHz时,还需要额外的电容来控制电源系统阻抗。
第五步:计算频率高于1.6MHz时所需电容
如果希望电源系统在500MHz以下时都能满足电压波动要求,就必须控制电容的寄生电感量。必须满足,所以有:
假设使用AVX公司的0402封装陶瓷电容,寄生电感约为0.4nH,加上安装到电路板上后过孔的寄生电感(本文后面有计算方法)假设为0.6nH,则总的寄生电感为1 nH。为了满足总电感不大于0.16 nH的要求,我们需要并联的电容个数为:1/0.016=62.5个,因此需要63个0402电容。
为了在1.6MHz时阻抗小于目标阻抗,需要电容量为:
因此每个电容的电容量为1.9894/63=0.0316 uF。
综上所述,对于这个系统,我们选择1个31.831 uF的大电容和63个0.0316 uF的小电容即可满足要求。
注意:以上基于目标阻抗(Target Impedance)的计算,只是为了说明这种方法的基本原理,实际中不能这样简单的计算就了事,因为还有很多问题需要考虑。学习的重点是这种方法的核心思想。
这里有PDF文件下载:http://www.sig007.com/bookpaper/124.html 文章来源:于博士信号完整性研究网

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