1 电源是否必须经过滤波电容进入芯片管脚

有些硬件设计规则中要求:电源必须经过滤波电容进入芯片管脚。这一规则在低频板卡和单、双面板中适用,在高频板卡和多层板中不适用。
原因在于:
 电源经滤波电容进入芯片管脚会增长走线距离,加大寄生电感,降低电容谐振频率;
 高频噪声通过电源/地之间平板电容和芯片Die内电容去耦,减小管脚与平面之间的走线距离可以减小走线的寄生电感,增强平板电容滤波效果;

图 1 单/双层板电源经滤波电容进入芯片管脚
实际上,电源供电网络中,电源、地之间的平板电容,是板级响应速度最快的滤波元件。在多层板设计时,电源与地一般都使用的是完整的电源平面,电源与地之间会形成平板电容。多层板的电源供电网络典型结构如下图所示,通过各级滤波元件对不同频段的噪声进行滤除:
a) 首先是电源供电的源头,VRM部分,可以滤除几十k~几百k以内的电源噪声;
b) 然后是Bulk电容,可以滤除几百k~几M以内的电源噪声;
c) 板上滤波电容,可以滤除几M~100M以内的电源噪声;
d) 电源/地平板电容,滤除几百M左右的电源噪声;
e) 芯片封装内部电容及芯片封装基板平板电容,负责滤除几百M以上的电源噪声。

图 2 多层板典型电源供电网络结构
也就是说,高频板卡中,板级滤波电容基本上只能处理100MHz以内的电源噪声,100MHz以上的电源噪声首先要依靠平板电容,而走线的寄生电感对平板电容的滤波效果有很大影响。
以常用的0.1uF 0402 X7R电容为例,Murata官方提供的参数显示,其谐振频率为25MHz左右,如图3所示,但在电容安装在6层板上,4、5层为电源平面时,仿真得到的安装后电容的谐振频率约为10MHz左右,如图4所示,原因是电容安装到板上后由于走线寄生电感的存在,导致电容的谐振频率降低。
故,若希望平板电容具有较好的高频滤波效果,需尽量减短管脚至平面的距离。推荐的管脚连接平面的方式如图5所示。

图 3 Murata 0.1uF 0402电容阻抗曲线

图 4 安装的板上后0.1uF 0402电容阻抗曲线

图 5 多层板管脚接入平面的推荐方式

2 电容滤波半径

电源设计时对于电容的摆放位置,一般存在“电容去耦半径”的概念,即不容类型的电容具有不同的滤波半径,应保证电容滤波半径包裹住噪声源。

图 6 电容对噪声电压的滤波效果随距离增大而减弱
电容滤波半径的本质:电容有效补偿噪声源的瞬态电流需求。
当芯片对电流的需求变化时,会在电源平面的一个很小的局部区域产生电压扰动,电容要补偿芯片管脚电流就必须先感知这个电压扰动,而扰动电压信号传输至电容需要时间,电容产生的补偿电流提供至芯片管脚同样需要时间。若电容与芯片管脚的距离为噪声波长的1/4,则电容感知到噪声电压后发出的补偿电流重新传输至芯片管脚时,补偿电流与噪声源的相位相差180度,也就是说若芯片管脚需要补偿+1mA电流,但电容补偿电流在芯片管脚处提供的是-1mA电流,电容的补偿电流完全不起作用,去偶失效。
为了能有效传递补偿能量,应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能小,最好同相位。距离越近,相位差越小,补偿能连传递越多。实际应用中,这一距离最好控制在去耦电容谐振频率1/40~1/50波长之间。
对于大电容,其谐振频率低,对应的波长长,故去耦半径很大。
从寄生电感角度,去耦电容距离芯片越远,寄生电感越大,电容的自谐振频率就会越低。如图7所示,去耦电容与IC管脚之间存在Labove和Lbelow两种寄生电感,电容与IC之间的距离越远,寄生电感会越大。而Lbelow相比Labove更大,Lbelow除与电容和IC之间的距离相关外,还与电源、地平面的距离相关,电源、地平面的距离越大,Lbelow越大。

图 7 去耦电容与IC之间的寄生电感
故:
 PDN设计时电容应尽量靠近噪声源放置,距离最好控制在去耦电容谐振频率1/40~1/50波长之间;
 电容的去耦半径还与电源、地平面的距离相关,减小电源、地平面距离有利于减小寄生电感,增大去耦半径;

参考:
 高速先生——电容的布局布线-电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚;
 于争——于博士信号完整性揭秘

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