了解寄生參數(shù)是怎么影響電容的濾波效果

說(shuō)起PDN想必大家都不陌生。在PCB電源趨于低電壓、大電流的今天，電源分配網(wǎng)絡(luò)(Power Delivery Network)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。要保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，除了要考慮電源的直流壓降，還需要考慮電源噪聲是否滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。每個(gè)工程師都希望自己項(xiàng)目的電源都能和自己一樣，安靜的當(dāng)一個(gè)的美男子。

看過(guò)《謎一樣的電容》的小伙伴都明白，利用電容的隔直通交屬性，可以將DC電源中的交流噪聲短路進(jìn)GND來(lái)達(dá)到濾波的效果。理論上一個(gè)電容就能將所有的噪聲都濾除，但是理想很豐滿(mǎn)，現(xiàn)實(shí)很骨感。之前為了方便理解電容的特性，我們使用的都是理想電容模型，而實(shí)際電容器除了電容之外還有另外的寄生參數(shù)。分別是等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感(ESL)。這兩個(gè)寄生參數(shù)與電容一起構(gòu)成一個(gè)等效電路，影響著電容的實(shí)際濾波效果。

實(shí)際電容器模型表示如下:

要了解寄生參數(shù)是怎么影響電容的濾波效果，就需要引入容抗和感抗。因?yàn)榧纳鷧?shù)變化會(huì)使容抗、感抗隨之變化，進(jìn)而影響電容的濾波能力。想了解變化原理的同學(xué)就仔細(xì)看下公式，不想看公式的同學(xué)直接看黑體筆記吧！

容抗：交流電路中，電荷在電路中做周期性的往返運(yùn)動(dòng)，電荷的運(yùn)動(dòng)速度與電壓、電容和頻率成正比關(guān)系，將電容和頻率相乘，則得到一個(gè)類(lèi)似于電阻的量，由于沒(méi)有熱的產(chǎn)生，因此將這一量稱(chēng)為容抗，容抗的單位和電阻單位一樣，也是歐姆。

容抗公式：

Xc電容容抗值

ω角速度

π圓周率

f 頻率

C電容值 法拉

感抗：因?yàn)殡姼袑?duì)交流電有阻礙作用，所以把電感與頻率的合成效應(yīng)稱(chēng)為感抗。單位和容抗一樣都是歐姆。

感抗公式：

XL 電感感抗直

ω 角速度

f頻率

L 電感

電容的阻抗=寄生電阻+（感抗-容抗）

從公式可以總結(jié)以下三點(diǎn)：

由于容抗和感抗的影響，導(dǎo)致實(shí)際電容器的阻抗會(huì)隨頻率變化而變化。

因?yàn)榧纳鷧?shù)對(duì)電容的影響，導(dǎo)致實(shí)際電容器只有在諧振頻率點(diǎn)附近頻段，才具有很好的濾波效果。根據(jù)電容阻抗公式可以知道容量大的電容諧振頻率點(diǎn)較低低，容量小的電容諧振頻率點(diǎn)較高。通過(guò)將不同容量的電容并聯(lián)使用，讓不同的諧振頻率覆蓋工作頻段，使工作頻段整體都能獲得很好的濾波效果。這就是電源通常需要使用大小不同的電容進(jìn)行組合濾波的原因，由多種大小不同的電容阻抗曲線(xiàn)組合成的包線(xiàn)就是電源PDN阻抗曲線(xiàn)。如下圖紅色曲線(xiàn)：

電源PDN阻抗曲線(xiàn)就是PCB濾波能力的直觀體現(xiàn)(劃重點(diǎn))。

通過(guò)使用頻域目標(biāo)阻抗法分析PDN阻抗曲線(xiàn)，判斷我的PCB濾波能力是否滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電源質(zhì)量的要求。說(shuō)到這有的小伙伴就要問(wèn)了,如果有的頻段PDN阻抗不滿(mǎn)足怎么辦，通常我們?cè)黾釉撝C振頻率的電容，或者調(diào)整周?chē)l段的電容搭配降低該頻段的阻抗。

由于電源PDN曲線(xiàn)并不是固定不變的。電容自身封裝大小、容值公差等因素都會(huì)影響電容的阻抗曲線(xiàn)。除了器件自身的影響，設(shè)計(jì)引入的安裝電感，也會(huì)使電容的阻抗曲線(xiàn)偏移。不良設(shè)計(jì)會(huì)引入過(guò)量的安裝電感，甚至?xí)闺娙菔V波效果。由于低電壓、大電流的電源對(duì)濾波能力要求更高，PDN阻抗裕量更小。所以需要通過(guò)仿真得到準(zhǔn)確的電源PDN阻抗曲線(xiàn)。