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談?wù)勁月泛腿ヅ弘娙?/h2>
發(fā)布時(shí)間:2019-05-05 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】對(duì)于以下的文章,我是很佩服的,我按照它們的思路把問題推演和考證了一下,參考了一些數(shù)據(jù),自己推導(dǎo)一下電容模型的阻抗曲線,試圖做的就是讓問題更明顯一些。打算把這個(gè)問題分成兩個(gè)部分,第一個(gè)就是原理上去驗(yàn)證,第二個(gè)就是從實(shí)際的例子去推演。
看了很多關(guān)于旁路電容和去藕電容的文章,有代表性的如下:
1. 退耦電容的選擇和應(yīng)用
2. 十說電容
3. 關(guān)于旁路電容和耦合電容
4. 關(guān)于旁路電容的深度對(duì)話
對(duì)于以上的文章,我是很佩服的,我按照它們的思路把問題推演和考證了一下,參考了一些數(shù)據(jù),自己推導(dǎo)一下電容模型的阻抗曲線,試圖做的就是讓問題更明顯一些。打算把這個(gè)問題分成兩個(gè)部分,第一個(gè)就是原理上去驗(yàn)證,第二個(gè)就是從實(shí)際的例子去推演。
先看看此類電容的應(yīng)用場(chǎng)合:
根據(jù)以上電路來說,由一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載,如果沒有加任何電容,每個(gè)負(fù)載的電流波動(dòng)會(huì)直接影響某段導(dǎo)線上的電壓。
瞬間沖擊電流的產(chǎn)生原因
1.容性負(fù)載
來分析一下數(shù)字電路的電流波動(dòng),數(shù)字電路的負(fù)載并不是純阻性的,如果負(fù)載電容比較大,數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)部分要把負(fù)載電容充電、放電,才能完成信號(hào)的跳變,在信號(hào)上升沿比較陡峭的時(shí)候,電流比較大,對(duì)于數(shù)字芯片來說,新派驅(qū)動(dòng)部分電流會(huì)從電源線上吸收很大的電流,由于線路存在著的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會(huì)產(chǎn)生反彈),這種電流相對(duì)于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級(jí)的正常工作,下圖反應(yīng)了工作情況
2.輸出級(jí)控制正負(fù)邏輯輸出的管子短時(shí)間同時(shí)導(dǎo)通,產(chǎn)生瞬態(tài)尖峰電流
PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)候出現(xiàn)的電流尖峰。
電壓塌陷噪聲
我們考慮數(shù)字電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)Mos管組成,為了便于分析,我們假設(shè)初始時(shí)刻傳輸線上各點(diǎn)的電壓和電流均為零?,F(xiàn)在我們分析數(shù)字器件某時(shí)刻輸出從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑@時(shí)候器件就需要從電源管腳吸收電流(上面一個(gè)分析的是容性負(fù)載,現(xiàn)在考慮的是阻性負(fù)載)。
從低到高(L=>H)
在時(shí)間點(diǎn)T1,高邊的PMOS管導(dǎo)通,電流從PCB板上流入芯片的VCC管腳,流經(jīng)封裝電感L.vcc,通過PMOS管和負(fù)載電阻最后通過返回路徑。電流在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個(gè)完整的返回時(shí)間,在時(shí)間點(diǎn)T2結(jié)束。之后整個(gè)傳輸線處于電荷充滿狀態(tài),不需要額外流入電流來維持。
當(dāng)電流瞬間涌過L.vcc時(shí),將在芯片內(nèi)部電源和PCB板上產(chǎn)生一個(gè)電壓被拉低的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源中被稱之為同步開關(guān)噪聲(SSN)或Delta I噪聲。
從高到低(L=>H)
在時(shí)間點(diǎn)T3,我們首先關(guān)閉PMOS管(不會(huì)導(dǎo)致脈沖噪聲,PMOS管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)且沒有電流流過的)。同時(shí)我們打開NMOS管,這時(shí)傳輸線、地平面、L.gnd以及NMOS管形成一回路,有瞬間電流流過開關(guān)NMOS管,這樣芯片內(nèi)部至PCB地節(jié)點(diǎn)前處產(chǎn)生參考電平被抬高的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源系統(tǒng)中被
稱之為地彈噪聲(Ground Bounce)。
實(shí)際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值,就整個(gè)電源分布系統(tǒng)來說來說,這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。
去藕電容和旁路電容
去藕電容就是起到一個(gè)小電池的作用,滿足電路中電流的變化,避免相互間的耦合干擾。關(guān)于這個(gè)的理解可以參考電源掉電,Bulk電容的計(jì)算,這是與之類似的。
旁路電容實(shí)際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻噪聲旁路,也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。
所以一般的旁路電容要比去藕電容小很多,根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)計(jì)情況,去藕電容可能區(qū)別很大,當(dāng)旁路電容一般變化不大。關(guān)于有一種說法“旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象,而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象,防止干擾信號(hào)返回電源”,我個(gè)人不太同意,因?yàn)楦哳l信號(hào)干擾可以從輸入耦合也可以從輸出耦合,去藕的掉電可以是負(fù)載激增的輸出信號(hào)也可以是輸入信號(hào)源的突變,因此我個(gè)人覺得怎么區(qū)分有點(diǎn)糾結(jié)。
電容模型分析
如果電容是理想的電容,選用越大的電容當(dāng)然越好了,因?yàn)樵酱箅娙菰酱螅矔r(shí)提供電量的能力越強(qiáng),由此引起的電源軌道塌陷的值越低,電壓值越穩(wěn)定。但是,實(shí)際的電容并不是理想器件,因?yàn)椴牧?、封裝等方面的影響,具備有電感、電阻等附加特性;尤其是在高頻環(huán)境中更表現(xiàn)的更像電感的電氣特性。
我們這里使用的電容一般是指多層陶瓷電容器(MLCC),其最大的特點(diǎn)還是由于使用多層介質(zhì)疊加的結(jié)構(gòu),高頻時(shí)電感非常低,具有非常低的等效串聯(lián)電阻,因此可以使用在高頻和甚高頻電路濾波無對(duì)手。
關(guān)于其特性分析和分類可以參考以前的文章:
Surface Mounted Capacitor(表貼電容) Ps:大部分是英文的,我有空把它翻譯整理過來。
電容模型為
等效串聯(lián)電阻ESR:由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有大的交流電流通過電容器,ESR使電容器消耗能量(從而產(chǎn)生損耗),由此電容中常用用損耗因子表示該參數(shù)。
等效串聯(lián)電感ESL:由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。
等效并聯(lián)電阻EPR:電容器泄漏電阻,在交流耦合應(yīng)用、存儲(chǔ)應(yīng)用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時(shí),Rp是一項(xiàng)重要參數(shù),理想
電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化。然而實(shí)際電容器中的EPR使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速度緩慢泄放。
通過上述參數(shù),我們可以知道得到電容阻抗曲線
我找了Murata的電容做了對(duì)比
1000pF 0402
100nF 0603
實(shí)際電容的阻抗是如圖所示的網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性,在頻率較低的時(shí)候,呈現(xiàn)電容特性,即阻抗隨頻率的增加而降低,在某一點(diǎn)發(fā)生諧振,在這點(diǎn)電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點(diǎn)以上,由于ESL的作用,電容阻抗隨著頻率的升高而增加,這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點(diǎn)以上,由于電容的阻抗增加,因此對(duì)高頻噪聲的旁路作用減弱,甚至消失。電容的諧振頻率由ESL和C共同決定,電容值或電感值越大,則諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差。
ESL首先和電容的封裝直接相關(guān)的,封裝越大,ESL也越大。因此我們并聯(lián)三個(gè)電容以上對(duì)于濾除噪聲來說并不是很明顯的。這里有個(gè)問題,我們甚至希望可以得到0402的0.1uF的電容,但是這個(gè)是比較難得,因?yàn)榉庋b越小,操作電壓和容值都是有限制的,所以理智的做法就是用兩個(gè)電容。
通過曲線我們發(fā)現(xiàn),如果我們只是考慮1MHz以內(nèi)的噪聲的時(shí)候,在大多數(shù)情況下,旁路電容的規(guī)則可以簡(jiǎn)化為只用0.1 μF電容旁路每一個(gè)芯片。不過我們要選擇0603的MLCC的電容,而且要注意電路布局。如果我們沿著電路板上的電流路線,可以發(fā)現(xiàn)電路板銅線上存在電感。在任何電流路徑上的電感與該路徑的閉環(huán)面積呈正比。因此,當(dāng)你圍繞一個(gè)區(qū)域?qū)υ骷M(jìn)行布局時(shí),你需要把元器件緊湊地布局(為了使電感為最低)。
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