活用PI模擬的技術(shù)支持

解決指南 活用PI模擬的技術(shù)支持

近年來，隨著各類電子系統(tǒng)的高功能和高性能化，IC的消耗電流量越來越大。 另一方面，IC的高功能化推動(dòng)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化，因此IC的耐電壓下降，電源電壓值下降。 看近年來的趨勢，需要減少電壓波動(dòng)，而另一方面，IC 消耗電流變化又在增加。 因此，需要進(jìn)一步降低另一個(gè)因素——阻抗。

在本指南中，將介紹通過活用PI(電源完整性)模擬將2端子MLCC(積層陶瓷貼片電容)改為低ESL產(chǎn)品，以降低電源線路阻抗和減少去耦電容數(shù)量的技術(shù)支持。

不斷提高的降低阻抗及削減去耦電容數(shù)量的要求

隨著電源電壓值的下降，降低電源線路的阻抗顯得越來越重要。

為了抑制電壓波動(dòng)，需要降低阻抗。此處將介紹為了在基板尺寸以及貼裝區(qū)域等受到嚴(yán)格限制的情況下實(shí)現(xiàn)所需要的阻抗特性，TDK所提出的通過替換為低ESL產(chǎn)品來減少去耦電容數(shù)量的方案。

低電壓/大電流電源線的去耦電容

近年來，隨著電子設(shè)備系統(tǒng)的高功能化和高速動(dòng)作化，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)字IC用電源線路的特性(PI:電源完整性)顯得越來越重要。

提高PI的關(guān)鍵在于降低電源線路的阻抗，因此，在電源線路中使用了大量的MLCC作為去耦電容。

但是，隨著安裝小型化，對基板尺寸和貼裝區(qū)域的限制越發(fā)嚴(yán)格，已很難為了得到期望的阻抗特性而大量貼裝必要的MLCC。

圖1：不同并聯(lián)貼裝數(shù)量的MLCC阻抗頻率特性圖

通過并聯(lián)多個(gè)電容可實(shí)現(xiàn)低阻抗。

在低電壓且大電流的電源回路中，為了抑制電壓波動(dòng)，會(huì)使用多個(gè)去耦用MLCC課題：數(shù)量較多貼裝面積無空余成本增加(貼裝費(fèi))

采用少量的低ESL產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)低阻抗

因此，TDK建議采用低ESL型電容來降低去耦電容的數(shù)量和減少貼裝面積。低ESL型電容是低電感成分(ESL)的產(chǎn)品，在從低頻到高頻的寬頻帶實(shí)現(xiàn)了低阻抗。因此，大量使用通常型電容才能實(shí)現(xiàn)的阻抗特性，低ESL型電容只需很少的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)。

圖2：典型低ESL產(chǎn)品的阻抗頻率特性

2-Temination typeESL：approx. 200～300pH (1005 size)

Low ESL type (Flip type)ESL：approx. 60～100pH (0510 size)

Low ESL type (3-Temination type)ESL：approx. 20～30pH (1005 size)

采用少量的低ESL產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)低阻抗

圖3：通常2端子產(chǎn)品 10 個(gè) vs 低ESL產(chǎn)品 1~2 個(gè)的阻抗頻率特性

2-Termination type0.1μF_1005 sizex10pcs.

3-Termination type1μF_1608 sizex1pc.

or

Flip type1μF_0510 sizex2pcs.

采用少量的低ESL產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)低阻抗

基板配線圖案也是電路的一部分

除了去耦電容的最佳選定和最佳結(jié)構(gòu)化之外，貼裝基板的圖案設(shè)計(jì)對電源線路的低阻抗化也有重要作用。貼裝基板的線路用導(dǎo)體圖案和通孔中存在電阻成分、寄生電感和雜散電容，在電源線路的阻抗設(shè)計(jì)中，基板本身的電氣成分也需要作為阻抗成分的一部分在基板圖案設(shè)計(jì)中加以考慮。

圖4：通常DCDC轉(zhuǎn)換器和IC(Processor)之間的回路示意圖

<貼裝基板的截面示意圖>

<不考慮基板成分的回路簡圖>

<考慮基板成分的回路圖現(xiàn)實(shí)的回路圖>

TDK可實(shí)現(xiàn)包括基板信息在內(nèi)的電源線阻抗模擬工作。

運(yùn)用PI模擬的電源設(shè)計(jì)支持

TDK通過導(dǎo)入貼裝基板信息進(jìn)行PI模擬驗(yàn)證，為最佳的電源線路設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

根據(jù)基板類型/貼裝面/IC Pin Layout/周邊元器件布局等貼裝基板結(jié)構(gòu)，為選定最佳的電容類型、數(shù)量結(jié)構(gòu)、基板線路式樣、元器件排版等提供方案。

圖5：執(zhí)行PI模擬

一般來說，隨著基板設(shè)計(jì)的深入而會(huì)出現(xiàn)各種制約。因此，為了給客戶開發(fā)提供充分的支持，有效活用的最佳時(shí)機(jī)在基板圖案設(shè)計(jì)前的初期驗(yàn)證階段。

例如，在基板圖案設(shè)計(jì)正式開始之前，我們也可對需要的MLCC去耦電容數(shù)量、無法將MLCC配置在IC附近時(shí)的容許距離等進(jìn)行驗(yàn)證和提案。因此，如果您有電源線路設(shè)計(jì)方面的困擾，請盡可能在開發(fā)的前期階段聯(lián)系我們。

同時(shí)，在使用本項(xiàng)支持時(shí)需要提供必要的信息，敬請知悉。

下載資料

敬請將其用于不斷嚴(yán)格化的電源線阻抗優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及重要性不斷提高的去耦電容器結(jié)構(gòu)及基板設(shè)計(jì)中。

文件內(nèi)容

Vol.1 通過降低阻抗來抑制電壓波動(dòng)

1-1 隨著電源電壓值的下降，降低電源線路的阻抗顯得越來越重要

1-2 降低去耦電容中阻抗的方法

1-3 通過改用低ESL產(chǎn)品來減少去耦電容的數(shù)量

Vol.2 通過PI模擬為降低阻抗和減少去耦電容的數(shù)量提供方案

2-1 隨著IC的高功能化，PI(電源完整性)顯得越來越重要

2-2 PI模擬是指同時(shí)包括基板成分(不僅僅是電子元器件)的模擬法

2-3 現(xiàn)提供技術(shù)支持：提供活用PI模擬的最佳去耦電容結(jié)構(gòu)與基板設(shè)計(jì)方案

審核編輯：湯梓紅