阻容元件價(jià)格飚漲，設(shè)計(jì)如何降成本？

2021-07-05 來(lái)源：一博科技

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半年價(jià)格翻三倍,被段友們調(diào)侃為2017“年度最佳理財(cái)產(chǎn)品”的內(nèi)存條還讓人記憶猶新,2018年的阻容元件異軍突起,價(jià)格一路飚漲,各大廠商的漲價(jià)通知單輪番來(lái)襲,著實(shí)令人心驚肉跳。仰望漲到天際的設(shè)計(jì)成本,我等一眾屌絲是否只能吃土搬磚,以手撫膺坐長(zhǎng)嘆呢?好像也不是。

降成本設(shè)計(jì),刻不“容”緩。如果說(shuō)內(nèi)存條是繞不開(kāi)的剛需,那么,對(duì)付“容嬤嬤”(本文特指電源的濾波電容)還是有辦法的,比如,省著用,是的,看我真誠(chéng)的眼神,能省則省。看到這里,希望各位拿好手中的板磚,抑制住扔給我的沖動(dòng),因?yàn)槁斆鞯哪銈兛隙ㄏ胝f(shuō),按照這種邏輯,啥也不做豈不最省錢(qián)?非也,非也,硬件設(shè)計(jì)是件很?chē)?yán)肅的事情,小生對(duì)此心懷敬畏,降成本設(shè)計(jì)不是不設(shè)計(jì),而是成本和質(zhì)量雙管齊下,具體到電源的PDN阻抗設(shè)計(jì),就是既能減少濾波電容的數(shù)量,同時(shí),還能滿(mǎn)足電源噪聲的要求。

既然要拿濾波電容下手,那就有必要先了解電容的阻抗特性。理想電容的阻抗隨著頻率增加而呈反比下降,而實(shí)際電容的特性卻沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。實(shí)際電容器的阻抗曲線可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的RLC電路模型近似,如下圖某款0402封裝的1uF電容阻抗曲線,在等效寄生電阻ESR和等效寄生電感ESL的共同影響下,電容阻抗曲線變成了一個(gè)“V”字型,諧振頻率點(diǎn)10MHz處的阻抗最小,換而言之,我們可以認(rèn)為該電容的最佳濾波頻段在10MHz附近(此處暫不考慮安裝電感影響)。

了解了電容的阻抗特性,下面我們就來(lái)看看對(duì)于濾波電容如何物盡其用,用盡量少的電容在盡量寬的頻段內(nèi)保持PDN阻抗低于目標(biāo)阻抗(即滿(mǎn)足負(fù)載最大瞬態(tài)電流供應(yīng),且在電壓變化不超過(guò)最大允許波動(dòng)范圍的情況下,電源系統(tǒng)自身阻抗的最大值)。不妨來(lái)比較下相同容值的電容組合與不同容值組合的濾波效果:

以圖中的藍(lán)色直線為目標(biāo)阻抗線,對(duì)比可以看出,數(shù)量相同的情況下,相同容值電容并聯(lián)的阻抗沒(méi)有多容值組合的效果好,因?yàn)椤癡”字造型雖然在某些特定的場(chǎng)合有著強(qiáng)大的誘惑力,但是對(duì)于PDN阻抗并不是最佳選擇,因?yàn)榇笃鸫舐鋪?lái)的太突然,阻抗只能在較窄的頻段內(nèi)控制在目標(biāo)阻抗之下,而且費(fèi)力不討好,為滿(mǎn)足相同的目標(biāo)阻抗要求,所需電容數(shù)量多,成本高。相比之下,波瀾不驚的多容值組合更顯淡定從容,不同容值的電容各司其職,分區(qū)而治,可以在較寬的頻段內(nèi)都將PDN阻抗壓制在目標(biāo)阻抗線以下,減少使用的電容數(shù)量,降低成本。

當(dāng)然,如果電源的PDN阻抗曲線整體都已經(jīng)控制在目標(biāo)阻抗以下,是否就皆大歡喜了呢?其實(shí),可以更好的。電容省著用,如何省著用?除了選擇合理的容值組合,對(duì)于部分頻段可能存在的電容數(shù)量過(guò)設(shè)計(jì),PI仿真派上了用武之地,這也是降成本設(shè)計(jì)的切入點(diǎn),一起看個(gè)實(shí)際的案例吧。

某客戶(hù)的DDR顆粒1．2V電源原始濾波電容配置方案的PDN阻抗仿真結(jié)果如下圖:

藍(lán)色虛線標(biāo)注的是目標(biāo)阻抗0．144Ohm,紅色虛線標(biāo)注的是PDN阻抗最大的反諧振峰值(可以與電容精簡(jiǎn)后的情況做個(gè)對(duì)比),各顆粒處的PDN阻抗如圖中各曲線所示,不難看出,各個(gè)顆粒的PDN阻抗均在要求頻段內(nèi)低于目標(biāo)阻抗,滿(mǎn)足要求且裕量較大,妥妥的PASS。但由于客戶(hù)精益求精,希望能精簡(jiǎn)部分電容,客戶(hù)的需求就是我們前進(jìn)的動(dòng)力,通過(guò)仿真對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)顆粒減少5個(gè)0402封裝0．1uF的電容對(duì)PDN阻抗的影響不大(如下圖示),曲線依舊妖嬈,依然PASS。

于是我們果斷建議每個(gè)顆粒拿掉5個(gè)0．1uF電容,20個(gè)顆粒就可以減少100個(gè)電容!幸福來(lái)得太突然,客戶(hù)有點(diǎn)懵圈,在我們的再三確認(rèn)和慫恿,不,是鼓勵(lì)下,用戶(hù)接受了建議。在板子的試產(chǎn)階段,細(xì)心的客戶(hù)還對(duì)電容精簡(jiǎn)前后的電源噪聲進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比,結(jié)果如下: