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電容並聯與諧振峰

  • 由 電容檢測機構乃棠檢測 發表于 網路遊戲
  • 2022-12-02
簡介一方面,由於並聯諧振峰值增大,要想滿足目標阻抗的要求,就需要更多的電容

電容並聯怎麼算

1. 相同容值電容的並聯:

多個相同的電容並聯後,阻抗曲線的整體形狀不變,仍保持為一個大“V”型,但是各個頻率點的阻抗整體下移減小。

電容並聯與諧振峰

2. 不同容值電容的並聯:

當並聯的電容容值不同時,由於每個電容的自諧振頻率點不同,不同頻段內,兩個電容的行為特徵存在差異。在f1與f2之間,0。47uF表現為感性,0。01uF表現為容性。並聯後阻抗會有什麼樣的特徵?

電容並聯與諧振峰

在f1的左側,兩個電容都表現為容性。在f2的右側,兩個電容都表現為感性。這兩個頻段內,由於兩個電容的行為特徵類似,並聯後的總阻抗曲線會保持原來的變化趨勢,數值上會比任意一個電容的稍小。

電容並聯與諧振峰

在f1和f2之間,兩個電容的並聯線路,在此頻率區間,就像是一個電感和一個電容並聯,構成了LC並聯諧振電路,會在某個頻率點發生並聯諧振。在諧振點,LC並聯電路的阻抗非常高。因此,在f1和f2之間,阻抗曲線出現並聯諧振峰 (出現點位於兩條阻抗曲線交叉點附近)。 並聯諧振峰也叫作反諧振點,可以理解為是由0。47uF的寄生電感和0。01uF的電容形成的。

並聯諧振峰是PDN網路設計中最重要的指標之一,諧振峰處很容易超過目標阻抗。

1. 容值差對諧振峰的影響

兩個並聯的電容,電容差值的大小直接影響到諧振峰的大小。三種電容的組合:

電容並聯與諧振峰

隨著電容差值的增大,並聯諧振峰也增大。

電容並聯與諧振峰

2. ESR對諧振峰的影響

在並聯諧振點附件,兩個電容並聯可以等效為下圖。為了觀察ESR的影響,我們假設兩個電容的ESR相同,都等於R。

電容並聯與諧振峰

並聯諧振點阻抗可表示為:

電容並聯與諧振峰

假設兩顆電容值分別為0。1uF, 1uF。 上圖中L=0。5nH, C=0。1uF。並聯諧振峰值Zp與R的關係為:

電容並聯與諧振峰

當ESR=70mohm時,Zp最小,ESR<70mohm時,隨著ESR減小,諧振峰值反而增大。

3. 安裝電感對諧振峰的影響

安裝電感不僅影響電容的自諧振頻率,在電容並聯時也會影響並聯諧振峰值的大小。安裝電感增加了電容的總電感大小。使阻抗在自諧振頻率點之後增加的更快。

電容並聯與諧振峰

安裝後總電感越大,並聯諧振峰值越大,而且並聯諧振頻率越低。一方面,由於並聯諧振峰值增大,要想滿足目標阻抗的要求,就需要更多的電容;另一方面,由於諧振點向低頻移動,為了高頻處也能滿足目標阻抗的要求,需要增加更多的小電容。(減小安裝電感的方法:體積大的電容用多個過孔並聯,使電源過孔和地過孔儘量靠近,電容儘量靠近晶片的供電引腳減小平面的分佈電感等)

VRM的簡化模型如下:

電容並聯與諧振峰

VRM的阻抗曲線:

電容並聯與諧振峰

從低頻到BW, VRM為低阻狀態,能夠滿足晶片瞬態的電流需求。但是在更高的頻率,VRM的阻抗以感抗為主導,導致電源不能滿足稍高頻瞬態的電流需求。

從負載端向PDN系統看進去,VRM和大容量的電容之間也是並聯關係,同樣會產生並聯諧振。(某個頻段,VRM表現為感性,CAP表現為容性,產生諧振)

電容並聯與諧振峰

假設VRM的內阻R=1mohm, L=20nH。 輸出電容為10顆330uF的電容,ESL=4nH。 ESR在1mohm-50mohm內,針對ESR進行掃描分析,得到並聯諧振峰和電容ESR的關係曲線。

電容並聯與諧振峰

可以看到,諧振峰隨ESR降低而增大。

下圖為VRM和電容並聯,用兩種ESR值得到的阻抗包絡線。

電容並聯與諧振峰

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