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电源完整性设计的大总结下

发 布:2019/5/14 10:00:32查 看:208


5、实际美高梅官方平台的特性


正确使用美高梅官方平台进行电源退耦,必须了解实际美高梅官方平台的频率特性。理想美高梅官方平台器在实际中是不存在的,这就是为什么常听到“美高梅官方平台不仅仅是美高梅官方平台”的原因。

实际的美高梅官方平台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。图 4 是实际美高梅官方平台器的 SPICE 模型,图中,ESR 代表 等效串联电阻,ESL 代表等效串联电感或寄生电感,C 为理想美高梅官方平台。 



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 变化的角度可以很容易理解,电流发生变化时,磁场能发生变化,但是不可能发生能跃 变,表现出电感特性。寄生电感会延缓美高梅官方平台电流的变化,电感越大,美高梅官方平台充放电阻抗就越大, 反应时间就越长。等效串联电阻也不可消除的,很简单,因为制作美高梅官方平台的材料不是超导体。 讨论实际美高梅官方平台特性之前,首先介绍谐振的概念。对于图 4 的美高梅官方平台模型,其复阻抗为: 



当频率很低时,2πf ESL < 1/ 2πfC,整个美高梅官方平台器表现为美高梅官方平台性, 


当频率很高时,2πf ESL > 1/ 2πfC,美高梅官方平台器此时表现为电感性,因此“高频时美高梅官方平台不再 是美高梅官方平台” ,而呈现为电感。当 



此时容性阻抗矢与感性阻抗之差为 0,美高梅官方平台的总阻抗最小,表现为纯电阻特性。该频 率点就是美高梅官方平台的自谐振频率。自谐振频率点是区分美高梅官方平台是容性还是感性的分界点, 高于谐 振频率时, “美高梅官方平台不再是美高梅官方平台” , 因此退耦作用将下降。因此,实际美高梅官方平台器都有一定的 工作频率范围,只有在其工作频率范围内,美高梅官方平台才具有很好的退耦作用,使用美高梅官方平台进行电源 退耦时要特别关注这一点。寄生电感(等效串联电感)是美高梅官方平台器在高于自谐振频率点之后退 耦功能被消弱的根本原因。图 5 显示了一个实际的 0805 封装 0.1uF 陶瓷美高梅官方平台,其阻抗随 频率变化的曲线。 



美高梅官方平台的自谐振频率值和它的美高梅官方平台值及等效串联电感值有关,使用时可查看器件手册,了 解该项参数,确定美高梅官方平台的有效频率范围。下面列出了 AVX 生产的陶瓷美高梅官方平台不同封装的各项 参数值。 



美高梅官方平台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美高梅官方平台, 其等效串联电感基本相同。通常小封装的美高梅官方平台等效串联电感更低,宽体封装的美高梅官方平台比窄体封 装的美高梅官方平台有更低的等效串联电感。 


既然美高梅官方平台可以看成 RLC 串联电路,因此也会存在品质因数,即 Q 值,这也是在使用电 容时的一个重要参数。 


电路在谐振时容抗等于感抗,所以美高梅官方平台和电感上两端的电压有效值必然相等,美高梅官方平台上的 电压有效值 UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU,品质因数 Q=1/ωCR,这里 I 是电路的总电流。电感 上的电压有效值 UL=ωL*I=ωL*U/R=QU, 品质因数 Q=ωL/R。 因为: UC=UL  所以 Q=1/ω CR=ωL/R。美高梅官方平台上的电压与外加信号电压 U 之比 UC/U=(I*1/ωC)/RI=1/ωCR=Q。电感上 的电压与外加信号电压 U 之比 UL/U=ωLI/RI=ωL/R=Q。从上面分析可见,电路的品质因数 越高,电感或美高梅官方平台上的电压比外加电压越高。 



Q 值影响电路的频率选择性。当电路处于谐振频率时,有最大的电流,偏离谐振频率时 总电流小。我们用 I/I0 表示通过电路的电流与谐振电路中电流的比值,即相对变化率。 ω/ω0 表示频率偏离谐振频率程度。图 6 显示了 I/I0 与ω/ω0关系曲线。这里有三条曲线, 对应三个不同的 Q 值,其中有 Q1>Q2>Q3。从图中可看出当外加信号频率 ω 偏离电路的 谐振频率 ω0 时,I/I0 均小于 1。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。 在电路板上会放置一些大的美高梅官方平台,通常是坦美高梅官方平台或电解美高梅官方平台。这类美高梅官方平台有很低的 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。 


6、美高梅官方平台的安装谐振频率


上一节介绍的是美高梅官方平台自身的参数, 当美高梅官方平台安装到电路板上后, 还会引入额外的寄生参 数,从而引起谐振频率的偏移。充分理解美高梅官方平台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,因为我们关注的是美高梅官方平台安 装到电路板上之后的表现。 


美高梅官方平台在电路板上的安装通常包括一小段从焊盘拉出的引出线,两个或更多的过孔。我们 知道,不论引线还是过孔都存在寄生电感。寄生电感是我们主要关注的重要参数,因为它对 美高梅官方平台的特性影响最大。美高梅官方平台安装后,可以对其周围一小片区域有效去耦,这涉及到去耦半径 问题,本文后面还要详细讲述。现在我们考察这样一种情况,美高梅官方平台要对距离它 2 厘米处的 一点去耦,这时寄生电感包括哪几部分。首先,美高梅官方平台自身存在寄生电感。从美高梅官方平台到达需要去 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。可以用公式近似计算一个过孔的寄生电 感有多大。  公式为 



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。下面就计算一个常见的过孔的寄生电感,看看有多大,以便 有一个感性认识。设过孔的长度为 63mil(对应电路板的厚度 1.6 毫米,这一厚度的电路板 很常见) ,过孔直径 8mil,根据上面公式得: 



这一寄生电感比很多小封装美高梅官方平台自身的寄生电感要大, 必须考虑它的影响。 过孔的直 径越大,寄生电感越小。过孔长度越长,电感越大。下面我们就以一个 0805 封装 0.01uF 美高梅官方平台为例,计算安装前后谐振频率的变化。 参数如下: 容值: C=0.01uF。 美高梅官方平台自身等效 串联电感: ESL=0.6 nH。安装后增加的寄生电感:Lmount=1.5nH。 


美高梅官方平台的自谐振频率: 



安装后的总寄生电感:0.6+1.5=2.1nH。注意,实际上安装一个美高梅官方平台至少要两个过孔,寄 生电感是串联的,如果只用两个过孔,则过孔引入的寄生电感就有 3nH。但是在美高梅官方平台的 一端都并联几个过孔,可以有效小总的寄生电感,这和安装方法有关。

 

安装后的谐振频率为: 



可见,安装后美高梅官方平台的谐振频率发生了很大的偏移,使得小美高梅官方平台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,因为这才是美高梅官方平台在电路板上的实 际表现。 


安装电感对美高梅官方平台的去耦特性产生很大影响,应尽小。实际上,如何最大程度的小 安装后的寄生电感,是一个非常重要的问题,本文后面还要专门讨论。 


7、局部去耦设计方法 


我们从一个典型逻辑电路入手,讨论局部退耦设计方法。图 7 是典型的非门(NOT GATE) 电路。当输入(Input)低电平时,Q1 打开,拉低 Q2 的基极,因此 Q4 的基极被拉低, Q3 打开,输出(Output)高电平。

 


实际电路设计中,器件之间相互连接构成完整系统,因此器件之间必然存在相互影响。 作为例子,我们级联两个非门,如图 8 所示,看看两个器件之间怎样相互影响。理想的情 况应该是:第一个非门输入逻辑低电平(逻辑 0) ,其输出为高电平,第二个非门输入为 第一个的输出,也为高电平,因此第二个非门输出低电平。


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。当逻辑门电路的输 入电平处于上述范围内时,电路

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