如何实现一个低阻抗的电源分配系统

在业界流行的PCB设计方法中，电源和地都采用独立的平面实现，而且它们都是面对面放置的。在理想情况下，两个平面之间构成一个纯粹的电容，平面之间对交流信号来说是短路的，平面之间的交流阻抗为0，任何流经两个平面之间的瞬态电流都不会给电源地平面带来噪声波动。但事实上却不是这么简单。一对平面在低频下可以作为一个电容器来看，而在高频下其模型就复杂很多，看起来就像一个二维的传输线，如下图：电源和地平面简化模型与传输线特性一样，电源噪声波动在传到电源地平面的边缘时，同样将发生反射的现象，反射回来的噪声可能会在平面内部发生谐振。下面将通过一个典型的电源平面和去耦电容的效果来说明如何实现一个低阻抗的电源分配系统，如下图所示，由两个平面组成的电源和地平面对(pair)，在平面的B点处是一个电压调整器，给单板提供电源，在A点处是一个观察点，用来观察频率响应特性。以下说明的频率响应特性曲线都是基于这个假想点得到的。一个电源平面考虑一个特殊的电源地平面，其在40MHz以下阻抗与平面的电容值基本吻合，而在40MHz以上，平面内部的固有谐振占据了主要因素，如下图：一个电源地平面的频率响应曲线如果给该系统加入一个电压调整器，由于电压调整器存在串联的电感，在较低频率处，电压调整器串联电感与平面的固有电容可能会产生并联谐振尖峰，如下图：加入电压调整器的电源地平面的频率响应显然，这样的频率响应无法使我们满意，那么接下来，我们通过增加去耦电容，尝试去改善电源系统的频率响应特性。首先考虑分离电容器的特性。实际上，电容器并不是一个纯粹的电容，由于各种寄生效应，分离电容器可以简单表示为一个电容、电感和电阻串联的结果，如下图：电容器的等效模型这样的电容器的等效模型，其频率响应曲线中，在某个特定的频率下，ESL和C的阻抗大小相等，符号相反，于是两者发生谐振，我们称这个频率为谐振频率。在上图所示中，两条斜线的交叉点即为电容的谐振频率点。电容器在谐振频率所表现出的阻抗仅仅是ESR的阻抗，如上图频率响应曲线的最低阻抗点。而在这个频率以下，电容器表现出C的特性，在这个频率以上，电容器表现出ESL特性。不同的电容器具有不同的ESR、ESL和C参数，通常容值较小的电容具有更高的谐振频率。如果多个容值不同的电容器同时存在于PCB中，也就是并联在一起，这些电容器之间很有可能发生并联谐振，谐振点的阻抗相当高。这是选择多个电容器时应当尽量避免的，如下图所示：电容之间发生并联谐振不同电容值的频率响应曲线示意图。如下：分立电容器的频率响应选择一定数量的容值电容组合在一起，加到电源和地平面之间。一般来说，大电容的数量较少，小电容的数量要多一些。例如采用1个2.2uF，2个0.47uF・・・，4个33nF，8个10nF，16个2.7nF，24个1nF的。我们所要达到的目的是整个电源分配系统在较宽的频率范围内呈现低阻抗，也就是说，在这些频率范围内的噪声，都只会在整个电源分配系统中引起小幅度的波动，不会造成大的影响。下图所示加上这些去耦电容后，电源平面可能的频率响应结果。去耦电容的作用从上图可以看出一般的规律。1、? 去耦电容在低频范围内有效的降低了系统阻抗。2、? 有效利用去耦电容，可以把平面的固有谐振频率点移到几百兆赫兹以上。3、? 在非常高的频率范围 ，如1GHz左右，分立的电容起的作用不太明显，平面本身的固有谐振占主导地位。要说明的是，这里使用的电容组合并不是这个系统中最优化的，而且在别的系统中效果不一定一样。我们只是为了通过改变去耦电容的组合来分析其可能对电源分配系统造成的影响。实际上，在具体的实例中，电源地平面和去耦电容所带来的效果不尽相同，不能生搬硬套。去耦电容的影响并不能定量的描述出来，简单系统可以通过直观的概念推论出来。而在负载的系统中，特别是多层电源和地，非常多的去耦电容，必须通过仿真和测试来确定去耦电容的实际效果。
作者：杭州卿萃科技ALIFPGA