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談談旁路和去耦合電容-原理部分 zz

看了很多關于旁路電容和去藕電容的文章,有代表性的如下:

退耦電容的選擇和應用

十說電容

關于旁路電容和耦合電容

關于旁路電容的深度對話

對于以上的文章,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,參考了一些數據,自己推導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。打算把這個問題分成兩個部分,第一個就是原理上去驗證,第二個就是從實際的例子去推演。各位看完有任何意見請留言。

先看看此類電容的應用場合:

根據以上電路來說,由一個電源驅動多個負載,如果沒有加任何電容,每個負載的電流波動會直接影響某段導線上的電壓。

瞬間沖擊電流的產生原因

1.容性負載

來分析一下數字電路的電流波動,數字電路的負載并不是純阻性的,如果負載電容比較大,數字電路驅動部分要把負載電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在信號上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,對于數字芯片來說,新派驅動部分電流會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,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作,下圖反應了工作情況

2.輸出級控制正負邏輯輸出的管子短時間同時導通,產生瞬態(tài)尖峰電流

PMOS和NMOS同時導通的時候出現的電流尖峰。

電壓塌陷噪聲

我們考慮數字電路內部結構一般由兩個Mos管組成,為了便于分析,我們假設初始時刻傳輸線上各點的電壓和電流均為零?,F在我們分析數字器件某時刻輸出從低電平轉變?yōu)楦唠娖剑@時候器件就需要從電源管腳吸收電流(上面一個分析的是容性負載,現在考慮的是阻性負載)。

從低到高(L=>H)

在時間點T1,高邊的PMOS管導通,電流從PCB板上流入芯片的VCC管腳,流經封裝電感L.vcc,通過PMOS管和負載電阻最后通過返回路徑。電流在傳輸線網絡上持續(xù)一個完整的返回時間,在時間點T2結束。之后整個傳輸線處于電荷充滿狀態(tài),不需要額外流入電流來維持。

當電流瞬間涌過L.vcc時,將在芯片內部電源和PCB板上產生一個電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關噪聲(SSN)或Delta I噪聲。

從高到低(L=>H)

在時間點T3,我們首先關閉PMOS管(不會導致脈沖噪聲,PMOS管一直處于導通狀態(tài)且沒有電流流過的)。同時我們打開NMOS管,這時傳輸線、地平面、L.gnd以及NMOS管形成一回路,有瞬間電流流過開關NMOS管,這樣芯片內部至PCB地節(jié)點前處產生參考電平被抬高的擾動。該擾動在電源系統中被稱之為地彈噪聲(Ground Bounce)。

實際電源系統中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互連線都存在一定電感值,就整個電源分布系統來說來說,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。關于這個的理解可以參考電源掉電,Bulk電容的計算,這是與之類似的。

旁路電容實際也是去藕合的,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,根據不同的負載設計情況,去藕電容可能區(qū)別很大,當旁路電容一般變化不大。關于有一種說法“旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源”,我個人不太同意,因為高頻信號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載激增的輸出信號也可以是輸入信號源的突變,因此我個人覺得怎么區(qū)分有點糾結。

電容模型分析

如果電容是理想的電容,選用越大的電容當然越好了,因為越大電容越大,瞬時提供電量的能力越強,由此引起的電源軌道塌陷的值越低,電壓值越穩(wěn)定。但是,實際的電容并不是理想器件,因為材料、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),其最大的特點還是由于使用多層介質疊加的結構,高頻時電感非常低,具有非常低的等效串聯電阻,因此可以使用在高頻和甚高頻電路濾波無對手。

關于其特性分析和分類可以參考以前的文章:

urface 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

等效串聯電阻ESR:由電容器的引腳電阻與電容器兩個極板的等效電阻相串聯構成的。當有大的交流電流通過電容器,ESR使電容器消耗能量(從而產生損耗),由此電容中常用用損耗因子表示該參數。

等效串聯電感ESL:由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯構成的。

等效并聯電阻EPR:電容器泄漏電阻,在交流耦合應用、存儲應用(例如模擬積分器和采樣保持器)以及當電容器用于高阻抗電路時,Rp是一項重要參數,理想電容器中的電荷應該只隨外部電流變化。然而實際電容器中的EPR使電荷以RC時間常數決定的速度緩慢泄放。

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