今天的許多設(shè)計(jì)都包括三個(gè)不同值的去耦電容器，或者當(dāng)只使用一個(gè)電容器時(shí)，可以使用 0.1 uF 這樣的小值。這些建議基于 50 年前不適用的假設(shè)。是時(shí)候重新考慮這些過(guò)時(shí)的遺留設(shè)計(jì)指南了。

作為遺留問(wèn)題的神話

從一開(kāi)始，電子行業(yè)就被更快、更小、更便宜、現(xiàn)在的四種力量拉向未來(lái)。這推動(dòng)了技術(shù)、材料、制造和設(shè)計(jì)方面的革命性和進(jìn)化性發(fā)展的不斷進(jìn)步。有時(shí)，我們?cè)谏弦淮捎玫脑O(shè)計(jì)原則在下一代變成“遺留代碼”，不再適用。適用于一種互連技術(shù)組合的方法可能不適用于新的組合。遺留設(shè)計(jì)指南成為一個(gè)神話，應(yīng)該重新評(píng)估。

唯一不變的是變化

我們的行業(yè)見(jiàn)證了從電子管、晶體管、集成電路到封裝系統(tǒng)的革命性進(jìn)步。我們經(jīng)歷了從離散布線到單層和雙層印刷電路板，再到多層板，再到 HDI 技術(shù)的革命性進(jìn)步。我們已經(jīng)看到了從早期通孔器件（例如簡(jiǎn)單的金屬罐封裝到 DIP 到大型針柵陣列）到帶引線框架的表面貼裝封裝到小型有機(jī)印刷電路基板到球柵陣列到芯片級(jí)封裝的革命性進(jìn)步，以及多芯片模塊。。圖 1顯示了四個(gè)具有代表性的技術(shù)代板和封裝的時(shí)間快照

圖1 四個(gè)時(shí)間快照。

從左到右：管子和分立線、管子和電路板、分立晶體管和電路板，以及帶有多層電路板的表面貼裝 BGA 封裝。

技術(shù)世代對(duì)設(shè)計(jì)的影響

信號(hào)如何與互連交互背后的基本原則沒(méi)有改變。它們?nèi)匀换诰哂?150 年歷史的麥克斯韋方程組。然而，隨著每一代封裝和互連技術(shù)的發(fā)展，我們?nèi)绾螌?shí)施設(shè)計(jì)原則并將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)指南已經(jīng)發(fā)生了變化。

在使用離散布線的管子的早期，互連通常是透明的。當(dāng)互連很重要時(shí)，首先要解決的問(wèn)題通常是由于大環(huán)路電感引起的串?dāng)_。“越短越好”的設(shè)計(jì)原則以及捆綁在一起的電源線和地線很受歡迎。

當(dāng)引入多層板時(shí)，這些遺留代碼中的一些繼續(xù)將電源和接地路由為離散線，而不是使用接地層。將電源和接地緊密捆綁在一起的傳統(tǒng)阻礙了一些早期設(shè)計(jì)中接地層的實(shí)施。

隨著時(shí)鐘頻率升至 20 MHz 以上，傳輸線效應(yīng)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，受控阻抗、布線拓?fù)浜投私硬呗猿蔀榛ミB設(shè)計(jì)的重要驅(qū)動(dòng)力。“越短越好”的遺留代碼導(dǎo)致人們不愿使用菊花鏈路由拓?fù)?，這可能會(huì)導(dǎo)致路徑長(zhǎng)度更長(zhǎng)但反射噪聲更低。

當(dāng)我們進(jìn)入 1 Gbps 狀態(tài)時(shí)，損耗變得很重要，我們開(kāi)始選擇除了常見(jiàn)的基于環(huán)氧玻璃的材料之外的其他材料，以降低損耗。當(dāng)使用這些低損耗層壓板時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)超過(guò) 5 Gbps 的銅損耗比預(yù)期的要高，我們發(fā)現(xiàn)更光滑的銅更好。超過(guò) 10 Gbps 時(shí)，我們發(fā)現(xiàn) 50 年前的玻璃纖維增強(qiáng)電路板制造方法導(dǎo)致了玻璃或纖維編織歪斜的新問(wèn)題。

有了新技術(shù)，我們需要新的設(shè)計(jì)規(guī)則。高剝離強(qiáng)度、環(huán)氧樹(shù)脂玻璃電路板的舊規(guī)則不一定是千兆互連時(shí)代的最佳設(shè)計(jì)指南。

專家指南

我們每天在我們的電子產(chǎn)品中應(yīng)用的設(shè)計(jì)指南是由行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者制定的。這些公司在信號(hào)完整性、電源完整性、EMC、材料、制造、可靠性和集成方面擁有專門的專家，他們正在推出最前沿的產(chǎn)品。這些專家應(yīng)用基本原則為他們引入的新材料、IC 技術(shù)和互連技術(shù)建立設(shè)計(jì)指南。

但有時(shí)，在一代技術(shù)中起作用的東西在下一代中變成了神話。由于這些設(shè)計(jì)規(guī)則是由專家制定的，因此業(yè)界其他人有時(shí)不愿意放棄舊的設(shè)計(jì)指南，并繼續(xù)在可能不適用的新一代技術(shù)中使用它們。它們成為我們工具箱中根深蒂固的神話。

如果最后一個(gè)設(shè)計(jì)遵循這些舊的設(shè)計(jì)指南，人們通常認(rèn)為這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)指南，即使它可能不顧它們。有時(shí)遺留代碼是中性的，有時(shí)它有缺點(diǎn)。即使它是中立的，如果它阻止建立更好的設(shè)計(jì)指南，它也會(huì)變成負(fù)面的。它變成了一個(gè)即將被取代的神話。

設(shè)計(jì)指南神話，例如每個(gè)電源引腳使用三個(gè)不同的電容器進(jìn)行去耦，這會(huì)降低下一代設(shè)計(jì)的性能，因此應(yīng)始終重新評(píng)估。

高頻電容器

當(dāng)安裝電感大于約 1 nH 時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián) RLC 電路可以很好地描述真實(shí)電容器的理想等效電路模型。當(dāng)它低于 1 nH 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新的效果，真實(shí)電容器的傳輸線模型更匹配。

簡(jiǎn)單的 RLC 模型適用于大多數(shù)代的電容器。圖 2顯示了實(shí)際 SMT、MLCC 電容器的測(cè)量阻抗和理想 RLC 串聯(lián)電路的模擬阻抗的示例 。

圖2 真實(shí) SMT 電容器的測(cè)量阻抗（藍(lán)色）和相位以及簡(jiǎn)單 RLC 電路模型的模擬阻抗（紅色）示例。

測(cè)量相位和模擬相位的差異表明實(shí)際電容器中的 ESR 行為不包括在簡(jiǎn)單的 RLC 模型中。

該系列 RLC 電路模型是最簡(jiǎn)單的模型，通常適用于電解、鉭、陶瓷、MLCC 電容器的技術(shù)范圍，無(wú)論是通孔還是表面貼裝。這只是一階模型，許多實(shí)際電容器可以與二階模型更好地匹配。但第一個(gè)模型提供了對(duì)這三個(gè)重要術(shù)語(yǔ)的作用的洞察。

理想的 C 對(duì)應(yīng)于低頻下的阻抗行為。R 通常被稱為等效串聯(lián)電阻 (ESR)。這是由于實(shí)際電容器的引線、極板的金屬化，以及在較小程度上，電容器中的其他損耗機(jī)制。L 稱為等效串聯(lián)電感 (ESL)。這主要是由于電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其電路板電源和接地路徑到它所連接的 IC 引腳。

在通孔電容器時(shí)代，從 50 多年前開(kāi)始，兩種常用的電容器技術(shù)是電解和陶瓷盤(pán)。這些示例如圖 3所示。

圖3 電解和陶瓷圓盤(pán)電容器的例子。

較小物理尺寸的電容器具有較小的電容、較小的 ESL 和較大的 ESR。

在電解電容器和陶瓷圓盤(pán)電容器技術(shù)中，可以在電容器中設(shè)計(jì)的電容數(shù)量與其物理尺寸和引線長(zhǎng)度之間存在直接聯(lián)系。較大的電容值意味著較大的物理尺寸電容器。

因?yàn)?ESL 還取決于電容器的物理尺寸及其引線長(zhǎng)度，所以較大值的電容器也具有較大的 ESL。例如，47 uF 電解電容器的 ESL 可能高達(dá) 30 nH，而小型 0.1 uF 圓盤(pán)電容器的 ESL 可能低至 7 nH。

甚至 ESR 也因電容器技術(shù)和尺寸而異。電解電容器的 ESR 可能在 0.1 到 5Ω 的量級(jí)。較小尺寸的電容器通常具有較高的 ESR。陶瓷圓盤(pán)電容器的 ESR 約為 0.1 至 1Ω。

電容值和 ESL 之間的這種聯(lián)系極大地影響了大電容和小電容的阻抗分布。在低頻下，真實(shí)電容器的阻抗與其電容有關(guān)。在高頻下，真實(shí)電容器的阻抗大約是其引線電感。圖 4顯示了具有三種不同阻抗曲線的三種不同電容器的示例。他們的一階模型的組件值可能是：

圖4 這三個(gè)電容器的模擬阻抗曲線。最小值提供高頻下的低阻抗

對(duì)于帶引線的通孔電容器，通常正確的是，較小值的電容器尺寸較小，并且可以安裝較低的環(huán)路電感。這意味著它們?cè)谳^高頻率下將具有較低的阻抗。在尋找高頻下阻抗低的通孔電容器時(shí)，應(yīng)選擇小值和小尺寸的電容器。

這就是為什么小值電容器通常被稱為“高頻”電容器的原因。由于它們的引線較短，如果以低回路電感安裝到電路板上，它們?cè)诟哳l時(shí)提供最低阻抗。

如果我們想要低頻時(shí)的最低阻抗以及高頻時(shí)的最低阻抗，通常的做法是并聯(lián)添加兩個(gè)或三個(gè)電容器。大容量電容器在低頻時(shí)提供低阻抗，而具有較低 ESL 的小容量電容器在高頻時(shí)提供低阻抗。并行組合充分利用了兩種配置的優(yōu)點(diǎn)。

MLCC電容器與高頻電容器的神話

當(dāng)我們改用基于MLCC表面貼裝技術(shù)的電容器時(shí)，電容器的特性與引線電容器有很大的不同。圖 5顯示了 1206 型 MLCC 電容器的示例，其電容值對(duì)應(yīng)于相應(yīng)陶瓷盤(pán)電容器中的相同電容。

圖5 個(gè) 1206 封裝的 MLCC 電容器（頂部）和相應(yīng)值的陶瓷圓盤(pán)電容器。

通常，可以在完全相同的機(jī)身尺寸中獲得大范圍的電容值。0402 中的 10 uF 與 0.01 uF 一樣容易。這意味著 MLCC 電容器的 ESL 如果以最佳方式集成到電路板中，將與其電容值無(wú)關(guān)。

事實(shí)上，使用低環(huán)路電感設(shè)計(jì)，MLCC 的 ESL 可以設(shè)計(jì)為小于 1 nH，即使在兩層電路板上也是如此。圖 6顯示了在具有 0.620 nH ESL 的兩層 063 mil 厚板上測(cè)得的 1 uF MLCC 電容器的阻抗曲線示例 。

圖 6 電路板上 1 uF MLCC 電容器的測(cè)量阻抗曲線示例，電路板上的 ESL 為 0.620 nH。

這也表明當(dāng)安裝電感小于 1 nH 時(shí)需要二階模型。測(cè)量由Picotest提供。

10 和 0.1 uF MLCC 電容器將具有完全相同的高頻阻抗。電容值較小的電容不再是“高頻”電容。事實(shí)上，一個(gè) 10 uF 的 MLCC 電容也將是一個(gè)“高頻”電容。

如果設(shè)計(jì)中具有低 ESL 的價(jià)值，則應(yīng)始終使用 MLCC 電容器。即使是 10 uF MLCC 電容器，其 ESL 和“高頻”陶瓷圓盤(pán)電容器的阻抗也可能低于 10%。

在較舊的產(chǎn)品中，當(dāng)使用通孔電容器時(shí)，較小的電容值具有較低的 ESL 和較高頻率下的較低阻抗。當(dāng)電路板上的電源引腳上只有一個(gè)電容器的空間并且來(lái)自該引腳的瞬態(tài)電流很小時(shí)，指定了一個(gè)具有低電感的單個(gè)“高頻”電容器。這是一個(gè)低值電容，通常為 0.1 uF。

當(dāng)一個(gè)引腳有三個(gè)電容器的空間時(shí)，通常會(huì)指定三個(gè)電容器值的范圍。與僅一個(gè)值電容器相比，這提供了在高頻下的較低阻抗和在低頻下的較低阻抗。圖 7是顯示這些常見(jiàn)規(guī)格的典型示意圖示例。

圖7 一個(gè)典型電路示例，顯示了具有三個(gè)不同電容值和一個(gè)小值單個(gè)電容的去耦網(wǎng)絡(luò)。

但是，此原理圖示例并非來(lái)自使用通孔部件和通孔電容器的舊設(shè)計(jì)，而是來(lái)自 120 MHz 前沿 Cortex M4 微控制器板，全部采用 MLCC 電容器設(shè)計(jì)和組裝。高頻電容器的神話已經(jīng)延續(xù)到這個(gè)設(shè)計(jì)中，因?yàn)樗谠S多其他設(shè)計(jì)中仍然指定一個(gè)小值電容器用作單個(gè)電容器和三個(gè)不同的值用于更高電流的引腳。

高頻電容器和使用三種不同電容器值的神話是許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)中仍然存在的遺留代碼。

哪個(gè)更好？

那么，哪個(gè)更好：三個(gè)電容值相差十倍還是三個(gè)電容值相同？

不幸的是，只有具有所有元素的準(zhǔn)確模型的系統(tǒng)級(jí)分析才有機(jī)會(huì)回答這個(gè)問(wèn)題。

如果規(guī)范中的建議是使用三種不同值的電容器，那么編寫(xiě)規(guī)范的工程師很有可能從未做過(guò)任何分析，而是使用了基于高頻電容器神話的 50 年歷史的設(shè)計(jì)指南。隨著 20 年前 MLCC 電容器的推出，該建議背后的理由消失了。懷疑 PDN 設(shè)計(jì)。

在這種情況下，您使用什么可能并不重要。盡管有電容值，您的產(chǎn)品也可能工作，但可能不是因?yàn)樗鼈儭?/p>

當(dāng)三個(gè)具有相同ESL的不同值的電容器并聯(lián)組合時(shí)，在它們的自諧振頻率之間會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)并聯(lián)諧振峰。峰值阻抗值與相鄰電容器的電容和電感以及電容器的ESR有關(guān)。

圖 8顯示了三個(gè)電容器的三種不同組合的模擬阻抗曲線。一種組合是建議在通孔技術(shù)中實(shí)現(xiàn) 10、1 和 0.1 uF。第二個(gè)是在 MLCC 電容器技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的相同組合。第三種組合都是相同的 10 uF MLCC 電容器。MLCC 電容器的 ESL 為 1 nH。

圖 8 三個(gè)不同和三個(gè)相同 MLCC 電容器的模擬阻抗曲線。

與三個(gè)不同值的電容器相比，三個(gè)相同大值的電容器值可能會(huì)在整個(gè)頻譜上提供更低的阻抗（并且在中頻處沒(méi)有并聯(lián)諧振峰值），但這并不意味著它是一個(gè)更穩(wěn)健的解決方案。

最后一個(gè)產(chǎn)品可能有效，但您可能不知道該設(shè)計(jì)有多健壯，或者某些無(wú)法追蹤、不可重現(xiàn)的故障是否可能是由于過(guò)度的開(kāi)關(guān)噪聲以及恰到好處的數(shù)據(jù)模式收斂而導(dǎo)致的并聯(lián)諧振時(shí)的阻抗。

不要誤以為三個(gè)不同值的電容器是一種穩(wěn)健的策略，或者三個(gè)電容器的值都相同更穩(wěn)健。如果沒(méi)有系統(tǒng)級(jí)分析，它們都可能同樣可接受、同樣邊緣化或因相同故障而失敗。

“測(cè)試”質(zhì)量

如果您不打算進(jìn)行自己的系統(tǒng)級(jí)分析，請(qǐng)計(jì)劃實(shí)施徹底的測(cè)試計(jì)劃，以便您可以找到 PDN 中的薄弱環(huán)節(jié)并“測(cè)試質(zhì)量”。

完整的測(cè)試計(jì)劃的一部分是為 PDN 中的測(cè)試進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，使用高帶寬感測(cè)線表征噪聲（不僅在板級(jí)，而且在管芯的焊盤(pán)上）越好，您就越能夠?qū)⒁环N去耦策略與另一種去耦策略進(jìn)行比較。圖 9是在 I/O 切換時(shí)在芯片電源軌和板級(jí)上測(cè)得的電壓噪聲示例。在 5 V 電壓軌上，片上電壓噪聲為 600 mV 峰峰值。板級(jí)電壓噪聲僅為 75 mV 峰峰值。

圖9 在芯片上相同的電源軌上測(cè)量的電壓噪聲是通過(guò)檢測(cè)線測(cè)量的，在電路板上，兩者的標(biāo)度相同，均為 200 mV/div

無(wú)論應(yīng)用如何，較低的安裝回路電感總是有價(jià)值的。這就是為什么 MLCC 去耦電容器應(yīng)始終是放置在板上的第二個(gè)組件，因此它們可以以實(shí)際最低的安裝電感進(jìn)行布線。

如果在一個(gè)引腳上只指定一個(gè)電容器，這是許多低電流應(yīng)用的常見(jiàn)做法，那么在可接受的額定電壓下，始終使用允許的最大電容，以實(shí)現(xiàn)最小的實(shí)際尺寸。如果沒(méi)有系統(tǒng)級(jí)分析，這仍然不能保證產(chǎn)品的穩(wěn)健性，因此必須制定全面的測(cè)試計(jì)劃。

設(shè)計(jì)質(zhì)量：正確的去耦電容策略

使用三種不同值的去耦電容器是基于過(guò)時(shí)的假設(shè)，即小值電容器是“高頻”電容器。在我們的 MLCC 電容器時(shí)代，這個(gè)假設(shè)不適用，有什么更好的建議？不幸的是，答案是“視情況而定”。

但是，有一些適用于大多數(shù)系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)指南。

任何 PDN 的目標(biāo)都是為那些需要它的組件提供直流電壓，并為應(yīng)用提供可接受的噪聲水平。用于去耦的 MLCC 電容器只是良好 PDN 策略的一部分。

PDN 設(shè)計(jì)的基本原則之一是保持阻抗分布，如 IC 的焊盤(pán)所見(jiàn)，阻抗平坦且值可接受的低。這意味著通常通過(guò)增加更多電容來(lái)減少并聯(lián)諧振峰值，減少環(huán)路電感，并通過(guò)使用不同的電容值或通過(guò)受控的 ESR（這將降低峰值的 q 因子）來(lái)塑造阻抗曲線。

這有時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為足夠的大容量電容，從而降低 VRM 大容量電容器的峰值。在高頻端，板級(jí)的平坦阻抗分布將有助于抑制片上電容和封裝引線電感并聯(lián)諧振峰值的班迪尼山。

選擇電容器值需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析，包括一端的 VRM 和另一端的消耗元件。當(dāng)您設(shè)計(jì)所有安裝功能以盡可能減少電容器的環(huán)路電感時(shí)，使用 3D 仿真器和基于測(cè)量的建模工具為 PDN 元件開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的模型以仿真整個(gè)系統(tǒng)總是很有價(jià)值的。VRM 的準(zhǔn)確模型以及每個(gè)導(dǎo)軌和封裝引線電感的片上電容是設(shè)計(jì)穩(wěn)健設(shè)計(jì)的整體分析的一部分。

當(dāng)存在相當(dāng)大的封裝去耦時(shí)，大容量電容器和 MLCC 電容器的低頻特性更為重要。當(dāng)片上電容和封裝引線電感占主導(dǎo)地位時(shí)，從它們的并聯(lián)諧振中產(chǎn)生一個(gè)大的班迪尼山，從板級(jí) MLCC 電容器產(chǎn)生的平坦阻抗分布中進(jìn)行阻尼是很重要的。

不幸的是，除了使用受控 ESR 電容器之外，僅三個(gè)電容器值的組合不會(huì)為 Bandini Mountain 提供板級(jí)的任何阻尼。

這只是對(duì)真正進(jìn)入優(yōu)化的、具有成本效益的解耦策略的一些設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力的一瞥。第一步是識(shí)別問(wèn)題。第二步是確定問(wèn)題的根本原因，第三步是確定提供可接受噪聲的整體 PDN 設(shè)計(jì)策略，其中優(yōu)化的解耦策略只是其中的一部分。

當(dāng)系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗差異超過(guò)六個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，從許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的超過(guò) 10Ω 到基于大型網(wǎng)絡(luò)處理器的產(chǎn)品中的小于 10 uOhms，沒(méi)有一種具有成本效益的策略，而是許多。

但這是一個(gè)不同章節(jié)的故事。

概括

使用三種不同電容器值的起源是基于使用通孔引線電容器。較小電容值的電容器通常在高頻下具有較低的 ESL 和較低的阻抗。對(duì)于通孔電容器，使用三種不同的電容器值具有性能優(yōu)勢(shì)。

但是對(duì)于使用了 20 多年的 MLCC 電容器，這些陳舊的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)指南不再適用。

當(dāng)只指定一個(gè)或三個(gè)電容器用于去耦時(shí)，可能是因?yàn)闆](méi)有對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。相反，在上一個(gè)設(shè)計(jì)中起作用的是在下一個(gè)設(shè)計(jì)中推薦的。盡管使用了三個(gè)不同的值，并且很有可能，該設(shè)計(jì)作品在使用所有三個(gè)相同的值時(shí)同樣有效。在這種情況下，您的設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性是“測(cè)試”而不是“設(shè)計(jì)”。

最好的方法是始終進(jìn)行自己的分析，包括配電系統(tǒng)的其余部分，以及所有組件的準(zhǔn)確模型（如果可用），因?yàn)樗鼈冋诎惭b到您的系統(tǒng)中。

如果您的設(shè)計(jì)指定了三種不同的電容值，您可能會(huì)遵循已沿用 20 多年的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)指南?？赡苁菚r(shí)候?yàn)槟南乱粋€(gè)設(shè)計(jì)重新考慮該設(shè)計(jì)指南并進(jìn)行自己的分析了。

審核編輯：湯梓紅