电容管 PCB设计误区：电源是否必须从滤波电容进入芯片管脚

碰到过好些设计要求里面写着电源必须从滤波电容进入芯片管脚，也有不少工程师在实际设计中遵守这个规则，我们这次就一起来看看这个规则的实用场合。

单、双面板设计的时候，没有电源、地平面。电源、地网络是通过走线来进行连接的，这个时候在设计上要求电源和地先走到滤波电容，然后在进入芯片管脚，具体设计如图1所示。

图1

这时候，PDN也就是电源供电网络，没有平板电容。然后芯片的工作频率一般也不高，工作时电源噪声的频率包括谐波一般都不超过100M，电源噪声主要由各级滤波电容来滤除。

但是，现在的设计有什么区别呢？大部分设计采用多层板层叠方式，也就是我们有了专门的电源、地平面了；在大多数的层叠教材中，都会建议在可能的情况下，尽量把电源和地紧邻在一起，也就是说，我们的电源、地紧耦合形成平板电容；同时系统的工作频率越来越高，工作时电源噪声的频率如果考虑谐波分量的话，动辄几个GHZ。

那么，在以上几个变化的设计条件下，如果我们还坚持按照图2的方式，电源和地网络通过过孔连接到滤波电容，然后通过滤波电容连接到芯片，这样的设计存在哪些问题呢？

图2

图2的设计方式电容管，是假定电容还是主要的滤波元件，限定供电路径经过电容。但是实际上从图3我们可以看到，电源供电网络里面，电源、地之间形成的平板电容，才是板级响应速度最快的滤波元件。我们希望从滤波元件到供电管脚之间的电感尽量小，提高元件滤波的效率。

我们从两个角度来理解电源设计的目标。一个是传统的储能角度，另一个是频域的PDN阻抗角度。从储能角度来说，VRM是蓄水池，Buck电容是我们挑回来放在水缸的水，那么板上的小滤波电容就是水瓢，这时候我们先忽略芯片内部的封装基板电容和Die电容（或者我们把这两种电容理解为身体内部储存的水）。那么N年前，当我们身体缺水，口渴的时候，拿着水瓢从水缸舀起水来解渴，如果实在不着急，走到水池边上埋头喝水也未尝不可（那些年，水质干净，路上不堵，环境好哈）（电源噪声频段不高，用电需要的速度-频率也不是很高）。

图3

可惜好时光的那年已经匆匆而过了。现在环境污染，水质变坏，我们再要喝水，已经不敢喝生水了。VRM成了自来水厂，Bulk电容就是设在小区的水塔，通过自来水管接到我们家里，我们用水壶（小滤波电容）来接水，烧开之后倒在杯子（平板电容）里，口渴的时候，只能用杯子喝水了。当然如果不着急，又想表现豪爽，直接对着水壶喝水也没问题。

例子不是100%恰当，只是说明一个问题，现在的PDN设计，我们不能忽视电源、地间的平板电容。既然已经是多层板设计，甚至是8层以上（电源、地板间距离较小）设计，这时候还限定电源地用电强制经过滤波电容，已经是不合理了）

图4是常见的电容与芯片的Fanout设计方案，我们不需要限定用电经过电容到达芯片管脚。而是要求芯片就近打孔到平面，减少芯片与电容和电源、地平面的距离（也就是减小安装电感）。简单来说，把水杯放在办公桌上随手可及的地方，口渴了伸手就能喝水。

图4

电源的事情让无数工程师头痛，大家想尽办法来让电源变得“干净”，滤波电容设计是其一，还有磁珠隔离等其他手段，我们会一一道来。下一节就是从PDN角度来看电源滤波及电容设计。

水的事情也让升斗小民头痛，大家不放心国家的用水标准，绞尽脑汁来加一级过滤。于是活性炭、超级过滤膜，到现在最推崇的RO膜。忙忙碌碌关心水质的为了得到纯水。而无所谓的人直接烧自来水，几十年了也活的好好的。

看来“水”真是一个好东西，高速先生都喜欢用水来做比喻，是不是该给“水”发点版权费用呢……

承前：电容的布局布线讨论之从储能角度解释电源不是必须从滤波电容进入芯片管脚

本节：从过滤水的流程来看电源滤波的指导思想，以及引出电源供电网络轨道PDN。本节没有列出新的设计误区，还是在讨论电源是不是必须从滤波电容进入芯片管脚的问题，篇幅关系，先讲一讲滤波电容的作用。