硬件设计指南:从器件认知到手机基带设计
——三端子电容
电容是电子电路设计中最常用的元器件之一,一款手机主板大约会使用3000多个元器件,其中电容约占三分之一。如图1所示,在手机系统电源的PDN优化过程中,我们常常会使用较多的三端子电容替代普通电容,既提高电源稳定性,又可以减小电容布局面积,那么三端子电容是什么呢?
图 1
三端子电容,其实物如图2所示。三端子电容比两端子电容高频特性好,具有更低的ESL。顾名思义,三端子电容具有三个PIN口,它有三根引线,其中一个电极上有两根引线,而2端子电容只有左右两个PIN口。
图 2
如图3所示,对比三端子电容和两端子电容的频率-阻抗曲线,三端子电容的谐振点比两端子电容更高一些,如两端子电容在1MHz处阻抗大约为3mΩ,三端子电容在3MHz处为2mΩ。对比高频部分,两端子电容在1GHz处阻抗超过了1Ω,而三端子电容在1GHz处阻抗只有110mΩ。那么两端子电容如何提升高频特性呢?这就需要通过多个电容并联降低ESL,但这会导致更大的布板面积。
图 3
那么,为什么三端子电容的ESL更小呢?这主要是三端子电容可以通过独特的电容结构,缩短电流路径,它可以等效为多个电容的ESL并联。普通电容的引线电感对于电容的高频滤波的作用是有害的,而三端电容却巧妙地利用了引线电感,构成了一个T型低通滤波器。如图4所示,普通电容沿着电流方向只具有一个ESL,而三端子电容的结构会存在多个ESL并联,从而使得等效的ESL降低,表现为高频特性好。
图 4
虽然三端子电容的高频特性好,封装尺寸也小,更适合应用在电源PDN优化上,但是它价格昂贵。在实际应用汇总,如果布板面积允许,工程师们常常会将电容拆封成多个普通电容并联的方式,以优化电源和降低成本。当需要考虑布板面积时,就需要在成本和布板面积之间取均衡,因此会使用一部分普通电容和三端子电容的组合,三端子电容使用在布板面积紧凑的位置,两种电容共同形成系统电源的优化,使得PDN达到优化效果。