• 【PI仿真笔记2-电容模型1】


    PI仿真笔记2-电容模型1

    1.电容阻抗曲线分析

    分析电容的等效模型中ESR、ESL和C分别对阻抗曲线的影响。典型的电容等效模型如下:
    在这里插入图片描述

    其中:

    • ESR为电容寄生电阻
    • ESL为电容本身以及焊接时产生的寄生电感
    • C为电容本身容值
      电容的典型阻抗曲线如下图所示:
      在这里插入图片描述
      阻抗曲线分为1、2、3三部分,其中:
    • 1为典型的电容特性,随着频率升高阻抗降低
    • 2为LC谐振点,在这个谐振点,LC谐振阻抗为0,故该位置阻抗等于ESR
    • 3为寄生电感的电感特性,随频率升高,阻抗升高
      以GRM033R60J105MEA2的简化Spice模型为例,模型具体信息如下:
      在这里插入图片描述
      通过ADS建模如下:
      在这里插入图片描述
      (1)调整电阻R1,即电容的ESR
      将R1调整为20mohm,仿真阻抗曲线如下,即谐振点处阻抗由11.4mohm增加到20mohm。也就是ESR影响的是点2的值
      在这里插入图片描述
      (2)调整电容的容值C1,即电容容值
      将电容容值C1调整为1.5uF,左侧曲线存在下移,同时谐振点也出现漂移。由于电容容值增大,谐振点向低频移动,但谐振时阻抗不变。故电容容值影响的是点1的曲线。
      在这里插入图片描述
      (3)调整电容的容值L1,即寄生电感ESL
      将L1调整为500pH,右侧曲线出现左移,即计生电感增大后,同一频率下的阻抗增大,同时谐振频率点左移。故ESL影响的点3所对应曲线
      在这里插入图片描述
      综上:
    • 使用电容时,如果对最小阻抗有要求,应选择ESR尽量小的电容;
    • 如果对谐振频率有要求,应选择封装尽量小的电容;
    • Layout时应尽量降低走线带来的寄生电感;

    2.电容容值大小对阻抗曲线的影响

    理论上的容值越大,相同频率下阻抗越小。以0402/1uF、0402/4.7uF、0402/10uF、0402/22uF四个电容为例进行仿真,仿真原理图如下所示:
    在这里插入图片描述
    仿真结果如下图所示:
    在这里插入图片描述
    可以看出,随着电容容值的增大:

    • 在谐振点之前,电容容值越大阻抗越低;
    • 谐振频率随着电容容值的增大而降低;
    • 随着电容容值的增大,谐振点的阻抗越低;
      故,一般情况下,相同封装时,容值越大,在谐振频率及其之前,电容的阻抗越低。
      选择电容组合时,如果低频段的PDN偏高,可以考虑选择大容值电容。当然,电容在谐振点处的滤波特性关键还需要看ESR的大小,ESR越小,谐振点处滤波特性越好。

    3.同容值电容并联对阻抗曲线的影响

    由2节可知,一般相同封装的情况下,电容容值越小,谐振点之前的阻抗越高,谐振点处的阻抗越高,但是在PDN处理时,为什么使用小容值电容进行滤波呢?分析下相同容值、不同封装的电容阻抗曲线。
    以0.1uF为例,分别分析murata的1206、0805、0603、0402、0201封装的陶瓷电容。基于S参数建立的模型如下:
    在这里插入图片描述
    仿真结果如下。可知:

    • 相同容值不同封装的陶瓷电容,封装越大,谐振点频率越低;
    • 相同容值不同封装的陶瓷电容,封装越大,谐振点ESR越低;
    • 相同容值不同封装的陶瓷电容,封装越大,谐振点之后相同频率下的阻抗值越高;
      在这里插入图片描述
      基于以上仿真结果可知,在PDN网络中,相同容值的电容应该封装越大越有利于谐振点及其之前阻抗的降低。去耦电容的主要作用依靠于其谐振点及其之前的滤波作用,故在可实现的情况下,如果阻抗本身不满足要求,可通过增大电容的封装来尝试解决
      但在实际项目中,一般都是选择小封装的电容,主要原因是封装越小谐振点频率越高,谐振点之后的寄生电感效应越小。但是如何解决谐振点处阻抗偏高问题呢?这就需要进行多个电容的并联。
      如,0.1uF/0402的电容,ESR=21mohm,如果希望实现谐振点10ohm的阻抗值,就需要并联15个才能降低谐振点处阻抗值。
      仿真模型如下:
      在这里插入图片描述
      仿真波形如下:
      在这里插入图片描述
      所以,在PDN设计时,相同容值的小电容会使用很多,其中一个目的也是通过多个小电容的并联来实现阻抗的降低。
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/qq_42682826/article/details/126862030