【導(dǎo)讀】在為 5G 應(yīng)用設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮此類應(yīng)用固有的寬頻率范圍，從穩(wěn)壓器中的中頻到 FPGA內(nèi)核中的高時(shí)鐘頻率。這種端到端的全雙工設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化電源、電源轉(zhuǎn)換和配電過程的性能至關(guān)重要。
在為 5G 應(yīng)用設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮此類應(yīng)用固有的寬頻率范圍，從穩(wěn)壓器中的中頻到 FPGA內(nèi)核中的高時(shí)鐘頻率。這種端到端的全雙工設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化電源、電源轉(zhuǎn)換和配電過程的性能至關(guān)重要。
本文重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)高效的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 設(shè)計(jì)。PDN 由連接到電壓軌和接地軌的所有組件組成，包括電源和接地層布局、無源元件、IC以及連接或耦合到主電源軌的任何其他銅質(zhì)元件。在設(shè)計(jì)過程中，必須考慮 PDN 中組件的寄生行為，因?yàn)檫@會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)行為。
旁路和去耦電容是 PDN 中必不可少的元件。因此，PDN 設(shè)計(jì)中的電容器選擇和放置需要特別考慮，因?yàn)殡娙莶蛔銜?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和性能問題。
d耦合和bypass電容器的重要性
旁路電容器用于穩(wěn)壓器模塊(VRM)，通過濾除輸入紋波電流為轉(zhuǎn)換器提供低阻抗電壓源。它們還可以補(bǔ)償電源耦合到 IC接地連接產(chǎn)生的開關(guān)噪聲產(chǎn)生的潛在接地反彈電壓。
在降壓穩(wěn)壓器的輸出端，去耦電容的主要目的是保證輸出電壓(V外) 通過降低輸出電壓紋波 (?V保持恒定外).因此，選擇電容以限制?V外到負(fù)載輸入規(guī)格設(shè)定的幅度，同時(shí)還考慮與轉(zhuǎn)換器負(fù)載突然變化引起的電壓變化相關(guān)的限制。
bypass電容器的放置策略
旁路電容器是確保降壓轉(zhuǎn)換器可靠運(yùn)行的最重要元件。放置IC后，旁路電容器是布局中放置的第一個(gè)元件，必須在IC放置后立即布線。由于不正確的布線而導(dǎo)致的額外寄生電感與轉(zhuǎn)換器的開關(guān)相結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生過大的電壓尖峰，這可能導(dǎo)致IC故障。
圖1顯示了負(fù)載點(diǎn)(PoL)轉(zhuǎn)換器旁路電容(CI21和CI26)的最佳放置。
旁路電容器環(huán)路中產(chǎn)生的寄生電感可分為兩部分：電容器的寄生電感和電感和IC之間的電流路徑布局產(chǎn)生的電感。由于PCB布局幾何形狀產(chǎn)生的電感相對(duì)于總電感比固有電容器電感更重要，因此設(shè)計(jì)工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
為了最小化環(huán)路電感，旁路電容應(yīng)盡可能靠近IC放置。還應(yīng)使用過孔將電容器的焊盤直接連接到電源 （PWR） 和接地 （GND） 網(wǎng)絡(luò)，盡可能靠近 IC 引腳，從而最大限度地減少電流路徑。
選擇d耦合****電容器
所需的去耦電容類型和數(shù)量取決于電容在頻域中的行為。去耦電容設(shè)計(jì)用于最大限度地降低VRM的?V外這是由轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作產(chǎn)生的，以及以高頻向FPGA/ASIC提供瞬時(shí)電流，直到電源可以響應(yīng)。因此，必須考慮整個(gè)工作頻譜。
基本電容模型包括三個(gè)關(guān)鍵要素：電容 （C）、等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和等效串聯(lián)電感 （ESL），如圖 2 所示。
圖2這就是電容器等效電路模型的樣子。來源：單片電源系統(tǒng)
ESR由元件中導(dǎo)電元件的阻抗引起，并決定了諧振頻率處的最小阻抗。ESL由流過電容器的電流的影響產(chǎn)生，并決定諧振頻率。諧振頻率是電容器阻抗曲線中元件開始表現(xiàn)得像電感器的點(diǎn)，阻抗與頻率成比例地增加。
在低頻（高達(dá)50 kHz）下，降壓轉(zhuǎn)換器具有低阻抗。然而，降壓轉(zhuǎn)換器在高頻下的阻抗主要是感性的。添加到PCB中的每個(gè)電容器都會(huì)降低給定頻率下的PDN阻抗，這意味著精確的放置和選擇可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)阻抗曲線。因此，通過從檢測點(diǎn)進(jìn)行測量，可以在給定頻率下滿足目標(biāo)阻抗。
目標(biāo)阻抗（Z 目標(biāo) ） 可以用公式 1 計(jì)算：
Z 目標(biāo) = ?V 噪聲 /我 TRANSIENT_MAX (1)
其中 ?V噪聲是最大允許紋波電壓和ITRANSIENT_MAX是轉(zhuǎn)換器必須提供的最大負(fù)載步長。還可以計(jì)算所需的輸入和輸出電容。
為了將阻抗保持在目標(biāo)水平以下，必須約束設(shè)計(jì)并降低寄生電感。大容量電容器在高達(dá) 10 MHz 的頻率范圍內(nèi)降低阻抗，而 MLCC 電容器在中高頻范圍內(nèi)降低阻抗。
圖3顯示了大容量電容器和MLCC電容器的阻抗頻率特性。
圖3圖中顯示了典型大容量電容器和MLCC電容器的阻抗頻率特性。來源：單片電源系統(tǒng)
d耦合電容器的布局****策略
一旦計(jì)算和分析了電容，去耦電容在PCB中的最佳位置就很重要。布局幾何形狀、通孔布局和距離主要影響電源層環(huán)路電感，從而影響PDN響應(yīng)。圖4顯示了轉(zhuǎn)換器、去耦電容和負(fù)載產(chǎn)生的電流環(huán)路。由于這些回路是結(jié)構(gòu)固有的并且不可避免，因此盡可能減少這些回路至關(guān)重要。
圖4電流環(huán)路由轉(zhuǎn)換器、去耦電容和負(fù)載產(chǎn)生。來源：單片電源系統(tǒng)
環(huán)路1是水平環(huán)路分量，由轉(zhuǎn)換器和去耦電容之間的距離決定。環(huán)路 2 是垂直環(huán)路組件，由將電容器連接到電源層的通孔高度決定。電源層通常放置在PCB的最內(nèi)層。
該測試板在雙相操作中使用兩個(gè)PoL轉(zhuǎn)換器，V外0.9 V 和最大輸出電流 （I OUT_MAX ） 的 50 A，這是 ASIC/FPGA 電源軌的通用值。可以使用測試板進(jìn)行不同場景的仿真，以確定電容器的最佳放置。
為了評(píng)估最佳電容布局，在ASIC/FPGA中心的板級(jí)檢測點(diǎn)測量阻抗。使用公式1的分析，可以使用8 x 22 μF MLCC電容和2 x 220 μF大容量電容實(shí)現(xiàn)VRM阻抗曲線。為了保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性，大容量電容器緊跟在輸出電感器之后。測試板考慮了22 μF MLCC電容在外殼1a和案例1b下的不同位置（見 圖5 ）。
圖5測試板說明了去耦電容的放置。來源：單片電源系統(tǒng)
在情況1a中，MLCC電容器放置在ASIC/FPGA之前，從而減小了環(huán)路1的尺寸。在案例1b中，MLCC電容器放置在大容量電容器旁邊，因此MLCC電容器與傳感點(diǎn)之間的距離是案例1a的兩倍。
圖6顯示了將大容量電容放置在降壓轉(zhuǎn)換器附近時(shí)的仿真結(jié)果，這導(dǎo)致低頻范圍內(nèi)的阻抗降低（綠色跡線）。將MLCC電容器放置在靠近負(fù)載的位置（紅色跡線）可降低高頻范圍內(nèi)的阻抗，從而使電容器能夠更有效地提供FPGA/ASIC負(fù)載所需的瞬時(shí)電流階躍。
圖6顯示了回路 1 大小變化的測試結(jié)果。來源：單片電源系統(tǒng)
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)指南建議將去耦電容放置在PCB的底部，以減小電路板空間，從而提高功率密度。然而，將電容器放置在電路板底部需要更長的過孔才能到達(dá)ASIC/FPGA所在的另一側(cè)。這增加了垂直路徑的大小，如圖 4 所示，如環(huán)路 2 所示。
通過將過孔高度加倍進(jìn)行了額外的測試，以分析增加環(huán)路 2 尺寸的效果。圖7顯示了環(huán)路2尺寸變化的測試結(jié)果，其中觀察到類似的趨勢，通孔高度增加導(dǎo)致中高頻范圍內(nèi)的阻抗增加。
圖7顯示了環(huán)路 2 大小變化的測試結(jié)果。來源：單片電源系統(tǒng)
最小化去耦電容中的環(huán)路電感與電容數(shù)量同樣重要。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)降低環(huán)路電感。第一種方法是減小IC和電容器之間的水平距離。第二種方法是通過將電源層和接地層放置在上層來降低通孔高度。
在小范圍內(nèi)放置多個(gè)元件以減少電路板空間通常會(huì)導(dǎo)致電容共享過孔。當(dāng)電容器共享過孔時(shí)，如果不考慮通孔定位和數(shù)量，正確選擇和定位的整體改進(jìn)可能會(huì)顯著降低甚至可以忽略不計(jì)。因此，通孔布局設(shè)計(jì)也是降低環(huán)路阻抗的關(guān)鍵。
為了分析過孔定位和數(shù)量的影響，使用電路板進(jìn)行了第二次測試，通過放置兩個(gè)通用設(shè)計(jì)建議。在第一個(gè)設(shè)置中，每個(gè)電容都有自己的一組通孔連接到電源和接地層（見 圖8 ）。
圖8每個(gè)電容器都有自己的一組電源和接地層過孔。來源：單片電源系統(tǒng)
在第二種設(shè)置中，所有電容共用一組位于平面一側(cè)的過孔（見 圖9 ）。
圖9所有電容器共用一組位于平面一側(cè)的過孔。來源：單片電源系統(tǒng)
圖10顯示了通孔放置變化的測試結(jié)果。將過孔放置在遠(yuǎn)離電容的位置會(huì)增加環(huán)路1的尺寸，從而增加環(huán)路電感。因此，過孔共享增加了高頻阻抗。
圖10顯示過孔放置變化的測試結(jié)果。來源：單片電源系統(tǒng)
根據(jù)后續(xù)測試，建議在0805和0603封裝中，大容量電容器至少使用4個(gè)電源通孔和4個(gè)接地過孔，MLCC電容器至少使用2個(gè)電源過孔和2個(gè)接地過孔。過孔應(yīng)盡可能靠近電容器放置。
整個(gè) PDN
在設(shè)計(jì) FPGA/ASIC 系統(tǒng)或任何需要高電流和快速負(fù)載瞬變的電路時(shí)，必須全面考慮 PDN，以優(yōu)化系統(tǒng)性能?？焖儇?fù)載階躍，例如在FPGA中觀察到的階躍，會(huì)在整個(gè)電路中產(chǎn)生強(qiáng)大的高頻電流。在如此高的頻率下，PDN 中通?？梢院雎缘募纳赡軙?huì)突然導(dǎo)致設(shè)備故障。設(shè)計(jì)人員必須注意確保 PDN 的寄生元件最小化。
本文重點(diǎn)介紹如何使用PoL轉(zhuǎn)換器降低VRM去耦電容中的電流路徑引起的寄生阻抗。為了獲得最佳性能，垂直軸和水平軸上的電流環(huán)路應(yīng)盡可能短。將電流環(huán)路放置在盡可能靠近負(fù)載的位置，并將電源走線保持在外層，可有效減少通孔長度。
適當(dāng)?shù)倪^孔放置也是降低寄生電感的關(guān)鍵。因此，建議在盡可能靠近每個(gè)電容器焊盤的位置放置多個(gè)過孔，以減少過孔的總寄生電感以及流過每個(gè)過孔的電流。
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