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。

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得很重要，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、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。

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。

 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。