功率分配系統(tǒng)（PDS）設(shè)計：利用旁路電容/去耦電容（一）

簡介

FPGA|0">FPGA設(shè)計人員在設(shè)計功率分配系統(tǒng)（PDS|0">PDS）時，面臨著一個獨特的任務(wù)。大多數(shù)其他大型、高密度IC（如大型微處理器）對旁路電容都有非常明確的要求。由于這些器件僅為執(zhí)行其存儲的特定任務(wù)而設(shè)計，所以其電源需求是固定的，僅在一定范圍內(nèi)有所波動。但FPGA不具備這種屬性。FPGA可以不確定的頻率、跨越多個時鐘域，運(yùn)行幾乎無限多的應(yīng)用，因此，預(yù)測其瞬態(tài)電流需求是一個非常復(fù)雜的過程。

由于無法確知一個新的FPGA設(shè)計的瞬態(tài)電流的變化情況，在設(shè)計第一個FPGA PDS時，唯一的選擇就是采用保守的最壞情況設(shè)計法。

數(shù)字器件中的瞬態(tài)電流需求是產(chǎn)生接地反彈的原因，也是高速數(shù)字設(shè)計的死對頭。在低噪聲或高功率情況下，電源去耦網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)這些瞬態(tài)電流需求準(zhǔn)確地度身定制，否則，接地反彈和電源噪聲將超出FPGA的限值。每種FPGA設(shè)計產(chǎn)生的瞬態(tài)電流不盡相同。本應(yīng)用指南介紹了一種全面的設(shè)計方法，適用于滿足特定FPGA設(shè)計的個別需要的旁路網(wǎng)絡(luò)。

這個過程的第一步就是檢查FPGA的利用率，大致了解其瞬態(tài)電流要求。

接下來，保守地設(shè)計一個滿足這些要求的去耦網(wǎng)絡(luò)。第三步，通過模擬和修正電容數(shù)量和額定值，精細(xì)調(diào)整這個去耦網(wǎng)絡(luò)。第四步，完成全部設(shè)計；第五步，測量設(shè)計。測量包括利用示波器和頻譜分析儀檢測電源噪聲。取決于測得結(jié)果，可能有必要再次重復(fù)元件選擇和模擬步驟，以優(yōu)化這個針對特定應(yīng)用的PDS。第六步是可選步驟，適用于要求完美的PDS的情況。

去耦網(wǎng)絡(luò)基本原理

在開始進(jìn)入PDS設(shè)計流程之前，必須理解所涉及的基本電氣原理。這部分討論了PDS的用途及其組件的屬性。此外，還介紹了獨立式電容的布局和貼裝等重要方面，以及關(guān)于PCB的幾何形狀和疊層的建議。

PDS旨在向一個系統(tǒng)中的各種器件提供電源。系統(tǒng)中的每個器件不僅各有適于其運(yùn)行的電源要求，而且對該電源的噪聲也有特定要求。大多數(shù)電子器件，包括所有的Xilinx FPGA，均有一個適用于所有電源的要求，即VCC|0">VCC上下波動的幅度不得超過VCC額定值的5％。在本文檔中，VCC通常是指FPGA的所有電源：VCCINT、 VCCO、VCCAUX和VREF。本文未涉及千兆位級收發(fā)器（MGT）模擬電源（AVCCAUXTX、AVCCAUXRX、VTTX、VTRX）。關(guān)于這些電源的特定說明，請參閱《RocketIO™收發(fā)器用戶指南》（參考書目#1）。

這個要求規(guī)定了最高電源噪聲，通常稱為“波紋電壓”。如果器件的電源要求為VCC不得超過額定值的±5％，就表示，峰間波紋電壓不得超過額定VCC的10％。這個結(jié)論假設(shè)額定VCC就是技術(shù)規(guī)格表中給出的額定值。如果不是，那么就必須將VRIPPLE調(diào)節(jié)至額定值10％以內(nèi)的相應(yīng)值。

數(shù)字器件的功耗會隨時間的推移而變化，變化頻率范圍廣泛。功耗的低頻率變化通常是在啟用或禁用器件和器件的較大部分時發(fā)生。發(fā)生這種情況的時間標(biāo)度可以從數(shù)毫秒到幾天。功耗的高頻率變化則是器件內(nèi)部獨立元件的切換動作引起的，這種變化取決于時鐘頻率的標(biāo)度以及時鐘頻率最初的諧波。

由于一個器件的VCC電壓水平是固定的，所以變化的電源需求將表現(xiàn)為變化的電流需求。PDS必須適應(yīng)這種電流消耗的變化，并且盡可能減少電源電壓的變化。

當(dāng)器件的電流消耗發(fā)生變化時，功率分配系統(tǒng)不能立即對變化做出響應(yīng)。在PDS響應(yīng)之前的短時間內(nèi)，該器件的電源電壓將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電源噪聲。PDS響應(yīng)延遲的主要原因有兩個，分別對應(yīng)于PDS的兩個主要元件。

PDS的第一個主要元件是穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)檢測PDS的輸出電壓并調(diào)節(jié)輸出的電流量，以保持電壓恒定。大多數(shù)常見的穩(wěn)壓器都在數(shù)毫秒到數(shù)微秒之間完成這種調(diào)節(jié)。對于各種頻率的變化，從直流到幾百千赫，穩(wěn)壓器在保持輸出電壓穩(wěn)定性方面非常有效（取決于穩(wěn)壓器）。對于頻率超出這個范圍的所有瞬態(tài)事件，在穩(wěn)壓器響應(yīng)新的電源需求之前，存在一段時滯。例如，如果器件的電流需求在幾毫微秒之間突然增加了，那么，在穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)至器件需要的新的、更高電流之前，該器件的電壓將有所下降。這段延遲的時間從數(shù)微秒到數(shù)毫秒之間不定，這個過程中，電壓將降低。

PDS的第二個主要元件是旁路電容或去耦電容。在本應(yīng)用指南中，“旁路”和“去耦”兩個詞可以互換。這種元件的功能是作為器件的本地能源存儲器。這種元件不能提供直流電源，因為它們只能存儲少量電能（穩(wěn)壓器的作用是提供直流電源）。這個本地能源存儲器的功能是以極快的速度響應(yīng)變化的電流需求。在從數(shù)百千赫到數(shù)百兆赫的頻率范圍內(nèi)，電容可以在幾毫秒到毫微秒之間，有效地保持電源電壓。對于超出這個范圍的變化，去耦電容則無能為力。例如，如果器件的電流需求在幾微微秒內(nèi)突然提高，那么，在電容能夠向器件提供額外電量之前，該器件的電壓將有所下降。如果器件的電流需求改變了，并在數(shù)毫秒內(nèi)保持新的水平，那么，與旁路電容并行運(yùn)行的穩(wěn)壓電路將有效地接替這些電容，并調(diào)節(jié)自己的輸出電壓，滿足新的電流需求。

圖1顯示了PDS的主要元件：電源、去耦電容和接通電源正在運(yùn)行的器件（在本例中，是一個FPGA芯片）。

圖1：簡化的PDS電路圖

圖2是一個更加簡化的PDS電路圖，顯示了分解為頻率相關(guān)電阻的所有電抗元件。

圖2：更加簡化的PDS電路圖

電感的作用是什么？

電容和PCB電流通道的屬性之一就是延遲電流變化。因此，電容不能立即響應(yīng)瞬態(tài)電流，或者高于其有效頻率范圍的變化。這種屬性稱為電感。

可以將電感視作電荷的動量。其中，電荷在導(dǎo)體中以一定速率移動，代表一定量的電流。如果電流水平發(fā)生變化，那么，電荷就必須以不同的速率移動。由于該電荷有一定的動量（保存的磁場能量），因此，要在一段時間后電荷才能實現(xiàn)減速或加速。電感越強(qiáng)，對改變的阻力就越強(qiáng)，從而使得電流需要更長時間才能發(fā)生變化。

PDS的目的是滿足器件可能有的任何電流需求，并盡可能迅速地響應(yīng)這種電流需求的變化。如果未能滿足這種電流需求，那么，器件的電源電壓就會發(fā)生變化。這就是電源噪聲。由于電感會阻礙旁路電容迅速響應(yīng)變化的電流需求的能力，所以應(yīng)當(dāng)最大限度地降低電感。

圖1顯示了FPGA和電容之間的電感和電容和穩(wěn)壓器之間的電感。這種電感是電容自身以及PCB中的所有電流通道的寄生現(xiàn)象。必須最大限度地降低所有這些電感。

電容寄生電感

在電容的各種屬性中，通常認(rèn)為電容值是最重要的。然而，在PCB PDS設(shè)計領(lǐng)域，寄生電感屬性（ESL，即等效串聯(lián)電感）與電容值同樣重要，甚或更為重要。

影響寄生電感的一個重要因素是封裝的尺寸。一般而言，極為簡單、體積小巧的電容的寄生電感低于體積較大的電容。就像較短的電線產(chǎn)生的電感低于較長的電線，較短的電容產(chǎn)生的電感也低于較長的電容。同樣地，就像較粗或較寬的電線產(chǎn)生的電感低于較細(xì)的電線，較粗的電容產(chǎn)生的電感也低于較細(xì)的電容。

由于這些原因，在選擇去耦電容時，應(yīng)當(dāng)選擇特定額定值中體積最小的封裝。類似地，對于特定封裝尺寸（尤其是固定的電感值），應(yīng)當(dāng)選擇采用該封裝的電容中電容值最高的。

表面安裝式芯片電容是目前市場中體積最小的電容，因此，是分立式旁路電容的理想選擇。對于低于2.2 μF的極小的電容值，如0.001 μF，通常使用X7R或X5R型電容。這些電容具備很低的寄生電感和可接受的溫度特性。對于較高的電容值，如1000 μF，則使用鉭電容。這種電容具備較低的寄生電感和相對較高的等效串聯(lián)電阻（ESR），使其具備較低的品質(zhì)因素，從而能夠提供范圍廣泛的有效頻率。鉭電容不僅具備相當(dāng)高的電容值，而且封裝尺寸也不大，從而降低了板上空間占用。如果沒有鉭電容可用，可以使用低電感電解電容。具備類似特性的其他新技術(shù)也可使用。

真正的電容具備多種特性，包括電容值、電感以及電阻。圖3顯示了一個真正的電容的寄生模式。應(yīng)當(dāng)將一個真正的電容視作一個RLC電路。

圖3：真正的、而不是理想的電容的寄生現(xiàn)象

圖4顯示了一個真正的電容的阻抗特性。在這張圖中的重合的兩條曲線對應(yīng)于電容的電容值和寄生電感（ESL）。這兩條曲線共同構(gòu)成了因電容的寄生效應(yīng)而產(chǎn)生的該RLC電路的總阻抗特性。
圖4：寄生效應(yīng)對總阻抗特性的貢獻(xiàn)隨著電容值的增加，電容曲線將逐漸下降，并向左移動。隨著寄生電感的降低，電感曲線也將逐漸下降，并向右移動。由于采用特定封裝的各種電容的寄生電感基本上是固定的，該電感曲線也保持固定。如果選擇了采用該封裝的不同電容值的電容，其電容曲線將相對于該固定的電感曲線向上或向下移動。降低采用特定封裝的電容的總阻抗的唯一方法就是降低其電容值。使寄生電感曲線向下移動（從而降低總阻抗特性）的唯一方法，就是并聯(lián)多個電容。