电源完整性分析实例：如何通过仿真确定去耦电容数量

Sigrity PowerSI是IC封装和PCB设计快速准确的全波电磁场分析，作为专业的频域分析工具，为当前高速电路设计中面临的各种信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁兼容(EMI/EMC)分析提供快速准确的全波电磁场分析，并提供宽带 S参数提取以及频域仿真。 PowerSI可以为IC封装和PCB设计提供快速准确的全波电磁场分析，从而解决高速电路设计中日益突出的各种PI和SI问题：如同步切换噪声（SSN）问题，电磁耦合问题，信号回流路径不连续问题，电源谐振问题，去耦电容放置不当问题以及电压超标等问题，从而帮助用户发现或改善潜在的设计风险。

Sigrity OptimizpPI是针对PCB和封装的电源仿真工具，通过前仿真和后仿真实现电容方案的选型和优化，进而提高系统或器件的性能。OptimizePI是能够帮助设计者综合考虑PCB或封装的电源分配网络（PDS）去耦电容的性能和成本。OptimizePI通常可以节省15％到50％的成本，通过分析可以确保系统或器件的PDS实现最佳性能。OptimizePI基于Cadence的电磁场电路混合引擎并结合专有的优化算法，帮助用户快速得到最佳的电容方案及布局方案。

最近有朋友发邮件咨询使用Sigrity PowerSI和OptimizpPI软件如何通过仿真确定去耦电容的数量的问题，今天我将和大家一起来学习如何解决这个问题。看看究竟如何通过仿真的办法来确定电容数量和容量，今天的讲解会从原理开始一步步地进行讲解，让大家明白仿真背后的道理和进行仿真的操作步骤。

1、首先需要先了解下电容的频率特性，ESR,ESL,电容的反谐振点阻特性。去耦电容根据封装结构和材料的不同，可以分成电解电容、钽电容、陶瓷电容等。电解电容与钽电容通常体积大，带来的串联电感也比较大，通常用于低频滤波电路。陶瓷电容由于封装尺寸小，寄生电感小，结构稳定等优点，被广泛的适用于中高频率滤波和去耦电路中。

2、在频率很高的时候，电容不能作为一个理想的电容对待，而是存在着寄生参数。通常用ESL表示其有效的寄生电感参数，用ESR表示有效的寄生电阻参数。考虑寄生效应后滤波电容的等效电路如下图所示，串联的RLC电路在频率F0处发生谐振，这个F0被称为该电容的自谐振频率。在自谐振频率之前电容的阻抗特征呈现容性，在自谐振频率之后阻抗特性呈现感性，相当于电感。 470uF电容自谐振频率232KHZ；100nF电容自谐振频率26MHZ；

3、电容的等效串联电感和生产工艺和封装尺寸有关，同一个厂家的同种封装尺寸的电容，其等效串联电感基本相同。一般小封装的电容等效串联电感更低，宽体封装的电容比窄体封装的电容有更低的等效串联电感。利用电容谐振改善PDN阻抗。PDN的阻抗设计通常需要利用去耦电容的谐振特征，通过电容的并联组合获得最低的输入阻抗。不同型号电容的谐振频率如下图所示，可以看出，不同的型号的电容自谐振频率相同，并联的电容数目越多，其容性、感性区域的阻抗越小，自谐振的频率点不变。

4、在电路板放置分立的去耦电容可以灵活地调整电源供电系统的阻抗，实现较低的电源地噪声。为了对一个特定的设计寻求最佳的去耦解决方案，选用OptimizpPI软件进行电源供电系统的仿真显的很重要，在下图中是电容的特性，比如C0G 0.1uf的电容反谐振峰出现在10MHZ的频率上，反谐振阻抗在0.005欧姆。可以看到不同系列，不同容量的电容都有各自固有的反谐振峰频点和阻抗最小点不同。

5、接下来我们扫描电源平面频域特性，可以看到如图所示的阻抗分布曲线，蓝色的曲线是没有添加电容之前得到的PI曲线特征，蓝色线的阻抗有两个谐振峰，190MHZ和780MHZ两个阻抗谐振峰，最大阻抗在60欧姆。绿色的曲线是添加12个0805电容之后的电源平面频域阻抗分布曲线分部相对于蓝色线而言，阻抗下降到了37欧姆。红色线是添加24个IDC电容之后的效果，可以看到平面谐振峰完全消失，阻抗被控制在了10欧姆以下。由此来看，添加去耦电容在合适的位置上起到了改善平面阻抗的效果。

6、这里还必须提出一个标准，也就是我们常说的目标阻抗方法标准，这里有目标阻抗方法的公式。目标阻抗法将PDN网络分为器件Component和系统system两个部分，从器件看向系统的目标阻抗被定义为公式。

Ztarget（目标阻抗）=ΔV voltage tolerance（电源噪声容限）/I（器件工作电流）。

如上图所示，图中给的就是器件自阻抗的目标范围，在这里给出一个公式，具体如下图所示。

7、优化电源平面PI的阻抗曲线，需要采用目标阻抗做出阻抗的标准线，阻抗标准线以上是不合格的部分需要进行优化，阻抗符合目标的阻抗标准的就不需要进行优化。我们进行PI的优化就是需要将不合格的部分优化到合格的目标阻抗以下合格为止。在OptimizePI里面将目标的阻抗线对应的位置找出来，在对应的阻抗超标位置上，去添加等频率的电容（有些是谐振的倍频电容，需要分析是基频还是谐振频率），利用电容反谐振点阻抗最小的特点，去做PI平面的阻抗的改善，就达到的阻抗优化的目的。

8、那么怎么去确定耦电容的数量和容量呢？首先就需求去按照仿真的出来曲线超标的阻抗频点去查找对应的位置或者需要添加电容的位置。OptimizePI电容库面有很多电容，可以按照仿真得到的PI阻抗曲线去对应的频率点上找合适需要的电容。下图调用了三星的电容，这个电容反谐振峰在37MHZ，阻抗最小在0.028欧姆，若仿真的结果超标点在37MHZ就可以正好选择这电容进行阻抗改善。

9、通过手工的方式添加这个电容到电路板超标的位置处，然后再次执行PI的优化仿真，就可以查看到经过摆放电容之后的差异之处。具体说就是对比添加电容前，该频率点上的阻抗变化情况。在OptimizePI里面反复利用这个方法，通过添加合适的电容可以手动的完成PI的优化工作，自然就能够知道所需要的电容数量、电容的位置及电容的型号等。

10、还有一种情况，有些时候我们添加一颗一种电容不能改善目标阻抗到合格的范围内，这就需要采用同型号多颗电容并联或者多型号容量电容并联的方式。通过同容量和多容量电容并联后才能将PI的目标阻抗改善到合格的范围内。如下所示，添加了一颗电容PI阻抗的曲线发现了变化，必须反复的添加和修改电容位置等手段，将PI的目标阻抗优化到合格的范围内。到此仿真手动确定去耦电容的数量和容量的方法，相信大家都有所掌握。

11、还有在OptimizePI软件可以自动的进行PDN电源网络的电容优化，可以在成本和最佳性能之间给优化的曲线。并且可以自动生成仿真报告，创建最低成本、最佳性能的去耦电容放置方案及配置表格。下图就是通过在OptimizePI软件中进行仿真得到的成本阻抗曲线图，软件会根据设置的参数给出电容优化的方案和成本比例，可以在关注的范围内选择合适的方案当作PI平面的优化方案。

12、OptimizePI软件中，自动给出了进行平面优化后可以保留的电容的数量和位置。如图所示，软件中给出的显示的就是经过PI平面优化之后，可以进行保留的电容。这些电容经过优化之后，可以保留。其他移除之后对平面的阻抗无影响，阻抗能够控制在目标阻抗线以下合格的阻抗范围内。

13、OptimizePI软件中，自动给出了进行平面优化后取消移除电容的数量和位置。如图所示，软件中给出的显示的就是经过PI平面优化之后，可以进行移除的电容。这些电容在未经优化之前的设计存在着过设计，移除之后对平面的阻抗无影响，阻抗能够控制在目标阻抗线以下合格的阻抗范围内。

14、OptimizePI软件中自动给出的电容优化方案，下图中给出了25种电容优化方案。大家可以看到，在每个方案里面，带红色X的这些位置电容，表示在在此方案里面可以NC，就是忽略不贴片。有数字的表示需要保留，软件自动进行PI阻抗的平面分析，给出了优化方案，通过仿真确定去耦电容的数量和电容所需要安装的位置，科学的评估和解决了实际的PI设计问题。

总结

通过上面的一起学习，大家都对使用Sigrity PowerSI和OptimizpPI软件进行电源平面的优化方法有了一定的了解。利用该方法可以快速的定位发现电源平面中的谐振情况，对不符合目标阻抗的曲线做出快速的优化处理和合理的确定去耦电容的数量和容量。