PDN电容模型仿真分析

本文通过对电容等效模型中的参数进行分析和仿真,旨在说明模型中不同参数对阻抗的影响,而且也给出了不同电容封装类型对阻抗影响的仿真分析,另外本文也列举了不同容值电容的并联对阻抗的影响。给后续进行PDN设计中电容优化给出一点参考。


1. 典型电容的等效电路模型

其中:

  • R为电容内部寄生电阻称为ESR(Equivalent Series Resistance);
  • L为电容内部寄生电感称为ESL(Equivalent Series Inductance);
  • C为电容容值;

2. 实例仿真分析电容等效模型中ESR、ESL和C分别对阻抗曲线的影响

我们以村田电容GRM022R60J104KE15(01005)为例,查的此电容ESR大约为34mohm,ESL大约为166pH,容值为100nF。对应的自谐振频率约为39MHZ。

2.1 在ansys circuit中搭建对应的等效电路,并仿真得到对应的阻抗曲线。分别如下图所示;

2.2 调整寄生电阻R1值从34mohm改为60mohm,其它参数不变,重新仿真得到对应阻抗曲线,并和原始阻抗曲线进行对比,如下图;

从上图可以看到,调整ESR的值,影响阻抗曲线中的最小值附近的数值,而其它阻抗曲线部分不受影响。

2.3 调整电容C1值从100nF改为200nF,其它参数不变,重新仿真得到对应阻抗曲线,并和原始阻抗曲线进行对比,如下图;

从上图可以看到,调整电容的值,影响谐振点左边的阻抗数值,而其它阻抗曲线部分不受影响,其最小阻抗值也不变。

2.4 调整寄生电感L1值从166pH改为250pH,其它参数不变,重新仿真得到对应阻抗曲线,并和原始阻抗曲线进行对比,如下图;

从上图可以看到,调整电感的值,影响谐振点右边的阻抗数值,而其它阻抗曲线部分不受影响,其最小阻抗值也不变。

3. 相同电容并联对阻抗曲线影响

可以看到多个相同电容并联,阻抗曲线整体下移;而且电容并联数量越多,阻抗曲线下移越多。这也是为什么在PDN设计中会经常看到有很多相同的电容进行并联,目的就是为了降低阻抗。

4. 相同容值不同封装的电容其阻抗曲线的区别

从仿真结果可以看出:

容值相同的电容,封装越大,谐振点频率越低;
容值相同的电容,封装越大,谐振点ESR越低;
容值相同的电容,封装越大,在谐振点之后相同频率下的阻抗值越高。(寄生电感越大)

5. 不同容值电容并联对阻抗曲线的影响

从仿真图片可以看到,在a与b、b与c两电容谐振点之间都会有一个凸起的部分,这是因为在这区间类似一个电感和一个电容并联,构成了LC并联谐振电路,会在某个频率点发生并联谐振,阻抗达到区间内最大值,我们称之并联谐振。此并联谐振点,我们又称为反谐振点。如果负载芯片的电流需求正好落在这个频率,那么会导致电压波动超标。所以,我们需要选好电容的搭配情况,必要时进行仿真确定选型。

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