電源完整性設(shè)計(jì)2

圖11 兩個(gè)不同電容的阻抗曲線(xiàn)

左邊諧振點(diǎn)之前，兩個(gè)電容都呈容性，右邊諧振點(diǎn)后，兩個(gè)電容都呈感性。在兩個(gè)諧振點(diǎn)之間，阻抗曲線(xiàn)交叉，在交叉點(diǎn)處，左邊曲線(xiàn)代表的電容呈感性，而右邊曲線(xiàn)代表的電容呈容性，此時(shí)相當(dāng)于LC并聯(lián)電路。對(duì)于LC并聯(lián)電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)L和C上的電抗相等時(shí)，發(fā)生并聯(lián)諧振。因此，兩條曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)處會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，這就是反諧振效應(yīng)，該頻率點(diǎn)為反諧振點(diǎn)。

圖12 不同容值電容并聯(lián)后阻抗曲線(xiàn)

兩個(gè)容值不同的電容并聯(lián)后，阻抗曲線(xiàn)如圖12所示。從圖12中我們可以得出兩個(gè)結(jié)論：

a 不同容值的電容并聯(lián)，其阻抗特性曲線(xiàn)的底部要比圖10阻抗曲線(xiàn)的底部平坦得多（雖然存在反諧振點(diǎn)，有一個(gè)阻抗尖峰），因而能更有效地在很寬的頻率范圍內(nèi)減小阻抗。

b 在反諧振（Anti-Resonance）點(diǎn)處，并聯(lián)電容的阻抗值無(wú)限大，高于兩個(gè)電容任何一個(gè)單獨(dú)作用時(shí)的阻抗。并聯(lián)諧振或反諧振現(xiàn)象是使用并聯(lián)去耦方法的不足之處。

在并聯(lián)電容去耦的電路中，雖然大多數(shù)頻率值的噪聲或信號(hào)都能在電源系統(tǒng)中找到低阻抗回流路徑，但是對(duì)于那些頻率值接近反諧振點(diǎn)的，由于電源系統(tǒng)表現(xiàn)出的高阻抗，使得這部分噪聲或信號(hào)能量無(wú)法在電源分配系統(tǒng)中找到回流路徑，最終會(huì)從PCB上發(fā)射出去（空氣也是一種介質(zhì)，波阻抗只有幾百歐姆），從而在反諧振頻率點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。因此，并聯(lián)電容去耦的電源分配系統(tǒng)一個(gè)重要的問(wèn)題就是：合理的選擇電容，盡可能的壓低反諧振點(diǎn)處的阻抗。

電源完整性設(shè)計(jì)（13）ESR對(duì)反諧振的影響

Anti-Resonance 給電源去耦帶來(lái)麻煩，但幸運(yùn)的是，實(shí)際情況不會(huì)像圖12顯示的那么糟糕。實(shí)際電容除了LC之外，還存在等效串聯(lián)電感ESR，因此，反諧振點(diǎn)處的阻抗也不會(huì)是無(wú)限大的。實(shí)際上，可以通過(guò)計(jì)算得到反諧振點(diǎn)處的阻抗為

其中，X 為反諧振點(diǎn)處單個(gè)電容的阻抗虛部（均相等）。現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的貼片電容，等效串聯(lián)阻抗很低，因此就有辦法控制電容并聯(lián)去耦時(shí)反諧振點(diǎn)處的阻抗。等效串聯(lián)電感ESR使整個(gè)電源分配系統(tǒng)的阻抗特性趨于平坦。

電源完整性設(shè)計(jì)（14）怎樣合理選擇電容組合

前面我們提到過(guò)，瞬態(tài)電流的變化相當(dāng)于階躍信號(hào)，具有很寬的頻譜。因而，要對(duì)這一電流需求補(bǔ)償，就必須在很寬的頻率范圍內(nèi)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(guān)（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)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(diǎn)附近一小段頻率。因此要在很寬的頻率范圍內(nèi)提供足夠低的電源阻抗，就需要很多不同電容的組合。