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电源完整性总结

时间:2017-06-25 13:48 来源:网络整理 作者:采集侠 点击:

1、电源系统噪声余量分析

绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围,这个值通常是±5%。老式的稳压芯片的输出电压精度通常是±2.5%,因此电源噪声的峰值幅度不应超过±2.5%。精度是有条件的,包括负载情况,工作温度等限制,因此要有余量。

电源噪声余量计算

比如芯片正常工作电压范围为3.13V到3.47V之间,稳压芯片标称输出3.3V。安装到电路板上后,稳压芯片输出3.36V。那么容许电压变化范围为3.47-3.36=0.11V=110mV。稳压芯片输出精度±1%,即±3.363*1%=±33.6mV。电源噪声余量为110-33.6=76.4mV。

2、电源噪声是如何产生

第一,稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的,会有一定的波纹。

第二,稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化,调整其输出电流,从而把输出电压调整回额定输出值。

第三,负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降,引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在,瞬态电流流经此路径必然产生压降,因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动,这就是阻抗产生的电源噪声。

3、电容退耦

采用电容退耦是解决电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度,降低电源分配系统的阻抗都非常有效。

3.1、从储能的角度来说明电容退耦原理

电源完整性总结

当负载电流不变时,其电流由稳压电源部分提供,即图中的I0,方向如图所示。此时电容两端电压与负载两端电压一致,电流Ic为0,电容两端存储相当数量的电荷,其电荷数量和电容量有关。当负载瞬态电流发生变化时,由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快,必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化,因此,电流I0不会马上满足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同,因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必然产生电流,此时电容对负载放电,电流Ic不再为0,为负载芯片提供电流。只要电容量C足够大,只需很小的电压变化,电容就可以提供足够大的电流,满足负载态电流的要求。

相当于电容预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,即电容是储能元件。储能电容的存在使负载消耗的能量得到快速补充,因此保证了负载两端电压不至于有太大变化,此时电容担负的是局部电源的角色。

电源完整性总结

我们可以用一个等效电源模型表示上面这个复合的电源系统

电源完整性总结

从AB两点向左看过去,稳压电源以及电容退耦系统一起,可以看成一个复合的电源系统。这个电源系统的特点是:不论AB两点间负载瞬态电流如何变化,都能保证AB两点间的电压保持稳定,即AB两点间电压变化很小。

我们的最终设计目标是,不论AB两点间负载瞬态电流如何变化,都要保持AB两点间电压变化范围很小,根据公式2,这个要求等效于电源系统的阻抗Z要足够低。

因此从等效的角度出发,可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。电容对于交流信号呈现低阻抗特性,因此加入电容,实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。

4、实际电容的特性

实际的电容器总会存在一些寄生参数,这些寄生参数在低频时表现不明显,但是高频情况下,其重要性可能会超过容值本身。

电源完整性总结

等效串联电感(寄生电感)无法消除,只要存在引线,就会有寄生电感。这从磁场能量变化的角度可以很容易理解,电流发生变化时,磁场能量发生变化,但是不可能发生能量跃变,表现出电感特性。寄生电感会延缓电容电流的变化,电感越大,电容充放电阻抗就越大,反应时间就越长。

自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点,高于谐振频率时,“电容不再是电容”,因此退耦作用将下降。

AVX生产的陶瓷电容不同封装的各项参数值

电源完整性总结

电容的等效串联电感和生产工艺和封装尺寸有关,通常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。

在电路板上会放置一些大的电容,通常是坦电容或电解电容。这类电容有很低的ESL,但是ESR很高,因此Q值很低,具有很宽的有效频率范围,非常适合板级电源滤波。

电路的品质因数越高,电感或电容上的电压比外加电压越高。Q值越高在一定的频偏下电流下降得越快,其谐振曲线越尖锐。也就是说电路的选择性是由电路的品质因素Q所决定的,Q值越高选择性越好。

5、电容的安装谐振频率

充分理解电容的自谐振频率和安装谐振频率非常重要,在计算系统参数时,实际使用的是安装谐振频率,而不是自谐振频率。

电容自身存在寄生电感,从电容到达需要去耦区域的路径上包括焊盘、一小段引出线、过孔、2厘米长的电源及地平面,这几个部分都存在寄生电感。相比较而言,过孔的寄生电感较大。过孔的直径越大,寄生电感越小。过孔长度越长,电感越大。

过孔寄生电感计算公式:

其中:L是过孔的寄生电感,单位是nH。h为过孔的长度,和板厚有关,单位是英寸。d为过孔的直径,单位是英寸。

安装后电容的谐振频率发生了很大的偏移,使得小电容的高频去耦特性被消弱。在进行电路参数设计时,应以这个安装后的谐振频率计算,因为这才是电容在电路板上的实际表现。安装电感对电容的去耦特性产生很大影响,应尽量减小。

6、局部去耦设计方法

为保证逻辑电路能正常工作,表征电路逻辑状态的电平值必须落在一定范围内。比如对于3.3V逻辑,高电平大于2V为逻辑1,低电平小于0.8V为逻辑0。

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