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电源完整性设计的几点考虑因素

发布时间:2019-12-25 点击次数:285

电源完整性设计的几点考虑因素

1. 电源完整性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。

2. 电源完整性电源噪声余量计算

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,电源完整性稳压芯片输出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。

3. 电源完整性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。电源完整性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,电源完整性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。

4. 电源完整性电容退耦的两种解释 采用电容退耦是解决电源噪声问题的主要方法。电源完整性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。4.1 从储能的角度来说明电容退耦原理 在制作电路板时, 通常会在负载芯片周围放置很多电容, 这些电容就起到电源退耦作用。电源完整性其原理可用图 1 说明。

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。电源完整性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。从储能的角度来理解电源退耦,非常直观易懂,但是对电路设计帮助不大。从阻抗的角 度理解电容退耦,能让我们设计电路时有章可循。实际上,在决定电源分配系统的去耦电容 的时候,用的就是阻抗的概念。4.2 从阻抗的角度来理解退耦原理

5. 电源完整性实际电容的特性

正确使用电容进行电源退耦,必须了解实际电容的频率特性。理想电容器在实际中是不存在的,这就是为什么常听到“电容不仅仅是电容”的原因。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。图 4 是实际电容器的 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 为理想电容。

等效串联电感(寄生电感)无法消除,电源完整性只要存在引线,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,电源完整性反应时间就越长。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。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,电源完整性Q值越高选择性越好。

6. 电源完整性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。把电容紧邻器件放置,跨接在电源引脚和地引脚之间。正常时,电容充电,存储一部分电荷。电源完整性这样电路转换所需的瞬态电流不必再由VCC提供,电容相当于局部小电源。因此电源端和地端的寄生电感被旁路掉了,寄生电感在这一瞬间没有电流流过,因而也不存在感应电压。通常是两个或多个电容并联放置,减小电容本身的串联电感,进而减小电容充放电回路的阻抗。注意:电容的摆放、安装距离、安装方法、电容选择




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