电源完整性设计（10）需要多大的电容量

cheeta

需要多大的电容量

有两种方法确定所需的电容量。第一种方法利用电源驱动的负载计算电容量。这种方法没有考虑ESL及ESR的影响，因此很不精确，但是对理解电容量的选择有好处。第二种方法就是利用目标阻抗（Target Impedance）来计算总电容量，这是业界通用的方法，得到了广泛验证。你可以先用这种方法来计算，然后做局部微调，能达到很好的效果，如何进行局部微调，是一个更高级的话题。下面分别介绍两种方法。



方法一：利用电源驱动的负载计算电容量

设负载（容性）为30pF，要在2ns内从0V驱动到3.3V，瞬态电流为：

       （公式5）

如果共有36个这样的负载需要驱动，则瞬态电流为：36*49.5mA=1.782A。假设容许电压波动为：3.3*2.5%=82.5 mV，所需电容量为

C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825V=43.2nF

说明：所加的电容实际上作为抑制电压波纹的储能元件，该电容必须在2ns内为负载提供1.782A的电流，同时电压下降不能超过82.5 mV，因此电容值应根据82.5 mV来计算。记住：电容放电给负载提供电流，其本身电压也会下降，但是电压下降的量不能超过82.5 mV（容许的电压波纹）。这种计算没什么实际意义，之所以放在这里说一下，是为了让大家对去耦原理认识更深。



方法二：利用目标阻抗计算电容量（设计思想很严谨，要吃透）

为了清楚的说明电容量的计算方法，我们用一个例子。要去耦的电源为1.2V，容许电压波动为2.5%，最大瞬态电流600mA，

第一步：计算目标阻抗

第二步：确定稳压电源频率响应范围。

和具体使用的电源片子有关，通常在DC到几百kHz之间。这里设为DC到100kHz。在100kHz以下时，电源芯片能很好的对瞬态电流做出反应，高于100kHz时，表现为很高的阻抗，如果没有外加电容，电源波动将超过允许的2.5%。为了在高于100kHz时仍满足电压波动小于2.5%要求，应该加多大的电容？

第三步：计算bulk电容量

当频率处于电容自谐振点以下时，电容的阻抗可近似表示为：

频率f越高，阻抗越小，频率越低，阻抗越大。在感兴趣的频率范围内，电容的最大阻抗不能超过目标阻抗，因此使用100kHz计算（电容起作用的频率范围的最低频率，对应电容最高阻抗）。

第四步：计算bulk电容的最高有效频率

当频率处于电容自谐振点以上时，电容的阻抗可近似表示为：

频率f越高，阻抗越大，但阻抗不能超过目标阻抗。假设ESL为5nH，则最高有效频率为：。这样一个大的电容能够让我们把电源阻抗在100kHz到1.6MHz之间控制在目标阻抗之下。当频率高于1.6MHz时，还需要额外的电容来控制电源系统阻抗。

第五步：计算频率高于1.6MHz时所需电容

如果希望电源系统在500MHz以下时都能满足电压波动要求，就必须控制电容的寄生电感量。必须满足，所以有：

假设使用AVX公司的0402封装陶瓷电容，寄生电感约为0.4nH，加上安装到电路板上后过孔的寄生电感（本文后面有计算方法）假设为0.6nH，则总的寄生电感为1 nH。为了满足总电感不大于0.16 nH的要求，我们需要并联的电容个数为：1/0.016=62.5个，因此需要63个0402电容。

为了在1.6MHz时阻抗小于目标阻抗，需要电容量为：

因此每个电容的电容量为1.9894/63=0.0316 uF。

综上所述，对于这个系统，我们选择1个31.831 uF的大电容和63个0.0316 uF的小电容即可满足要求。

注意：以上基于目标阻抗（Target Impedance）的计算，只是为了说明这种方法的基本原理，实际中不能这样简单的计算就了事，因为还有很多问题需要考虑。学习的重点是这种方法的核心思想。

这里有PDF文件下载：http://www.sig007.com/bookpaper/124.html   文章来源：于博士信号完整性研究网

lianghuahen

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huahua9418

学习了~