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yulzhu的博客——汽车电子设计之路

博主:yulzhu              
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谈谈旁路和去藕电容-原理部分 发布时间:2009-10-10 22:10:03
技术类别:模拟技术
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看了很多关于旁路电容和去藕电容的文章,有代表性的如下:
  1. 退耦电容的选择和应用
  2. 十说电容
  3. 关于旁路电容和耦合电容
  4. 关于旁路电容的深度对话
对于以上的文章,我是很佩服的,我按照它们的思路把问题推演和考证了一下,参考了一些数据,自己推导一下电容模型的阻抗曲线,试图做的就是让问题更明显一些。打算把这个问题分成两个部分,第一个就是原理上去验证,第二个就是从实际的例子去推演。各位看完有任何意见请留言。

先看看此类电容的应用场合:
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根据以上电路来说,由一个电源驱动多个负载,如果没有加任何电容,每个负载的电流波动会直接影响某段导线上的电压。

瞬间冲击电流的产生原因

1.容性负载

来分析一下数字电路的电流波动,数字电路的负载并不是纯阻性的,如果负载电容比较大,数字电路驱动部分要把负载电容充电、放电,才能完成信号的跳变,在信号上升沿比较陡峭的时候,电流比较大,对于数字芯片来说,新派驱动部分电流会从电源线上吸收很大的电流,由于线路存在着的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,下图反应了工作情况
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2.输出级控制正负逻辑输出的管子短时间同时导通,产生瞬态尖峰电流


PMOS和NMOS同时导通的时候出现的电流尖峰。

电压塌陷噪声


我们考虑数字电路内部结构一般由两个Mos管组成,为了便于分析,我们假设初始时刻传输线上各点的电压和电流均为零。现在我们分析数字器件某时刻输出从低电平转变为高电平,这时候器件就需要从电源管脚吸收电流(上面一个分析的是容性负载,现在考虑的是阻性负载)。
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从低到高(L=>H)
   在时间点T1,高边的PMOS管导通,电流从PCB板上流入芯片的VCC管脚,流经封装电感L.vcc,通过PMOS管和负载电阻最后通过返回路径。电流在传输线网络上持续一个完整的返回时间,在时间点T2结束。之后整个传输线处于电荷充满状态,不需要额外流入电流来维持。
   当电流瞬间涌过L.vcc时,将在芯片内部电源和PCB板上产生一个电压被拉低的扰动。该扰动在电源中被称之为同步开关噪声(SSN)或Delta I噪声。
从高到低(L=>H)   
   在时间点T3,我们首先关闭PMOS管(不会导致脉冲噪声,PMOS管一直处于导通状态且没有电流流过的)。同时我们打开NMOS管,这时传输线、地平面、L.gnd以及NMOS管形成一回路,有瞬间电流流过开关NMOS管,这样芯片内部至PCB地节点前处产生参考电平被抬高的扰动。该扰动在电源系统中被
称之为地弹噪声(Ground Bounce)。
   实际电源系统中存在芯片引脚、PCB走线、电源层、底层等任何互连线都存在一定电感值,就整个电源分布系统来说来说,这就是所谓的电源电压塌陷噪声。

去藕电容和旁路电容   

  去藕电容就是起到一个小电池的作用,满足电路中电流的变化,避免相互间的耦合干扰。关于这个的理解可以参考电源掉电,Bulk电容的计算,这是与之类似的。
  旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频噪声旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。
  所以一般的旁路电容要比去藕电容小很多,根据不同的负载设计情况,去藕电容可能区别很大,当旁路电容一般变化不大。关于有一种说法“旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源”,我个人不太同意,因为高频信号干扰可以从输入耦合也可以从输出耦合,去藕的掉电可以是负载激增的输出信号也可以是输入信号源的突变,因此我个人觉得怎么区分有点纠结。

电容模型分析

  
如果电容是理想的电容,选用越大的电容当然越好了,因为越大电容越大,瞬时提供电量的能力越强,由此引起的电源轨道塌陷的值越低,电压值越稳定。但是,实
际的电容并不是理想器件,因为材料、封装等方面的影响,具备有电感、电阻等附加特性;尤其是在高频环境中更表现的更像电感的电气特性。

我们这里使用的电容一般是指多层陶瓷电容器(MLCC),其最大的特点还是由于使用多层介质叠加的结构,高频时电感非常低,具有非常低的等效串联电阻,因此可以使用在高频和甚高频电路滤波无对手。
关于其特性分析和分类可以参考以前的文章:
Surface Mounted Capacitor(表贴电容) Ps:大部分是英文的,我有空把它翻译整理过来。

电容模型为

等效串联电阻ESR:由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器,ESR使电容器消耗能量(从而产生损耗),由此电容中常用用损耗因子表示该参数。
等效串联电感ESL:由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。
等效并联电阻EPR:电容器泄漏电阻,在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时,Rp是一项重要参数,理想
电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的EPR使电荷以RC时间常数决定的速度缓慢泄放。

通过上述参数,我们可以知道得到电容阻抗曲线
我找了Murata的电容做了对比
1000pF 0402
100nF 0603

点击看大图

    实际电容的阻抗是如图所示的网络的阻抗特性,在频率较低的时候,呈现电容特性,即阻抗随频率的增加而降低,在某一点发生谐振,在这点电容的阻抗等于等效串联
电阻ESR。在谐振点以上,由于ESL的作用,电容阻抗随着频率的升高而增加,这是电容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上,由于电容的阻抗增加,因此对高
频噪声的旁路作用减弱,甚至消失。电容的谐振频率由ESL和C共同决定,电容值或电感值越大,则谐振频率越低,也就是电容的高频滤波效果越差。

   ESL首先和电容的封装直接相关的,封装越大,ESL也越大。因此我们并联三个电容以上对于滤除噪声来说并不是很明显的。这里有个问题,我们甚至希望可以得到0402的0.1uF的电容,但是这个是比较难得,因为封装越小,操作电压和容值都是有限制的,所以理智的做法就是用两个电容。

    通过曲线我们发现,如果我们只是考虑1MHz以内的噪声的时候,在大多数情况下,旁路电容的规则可以简化为只用0.1 μF电容旁路每一个芯片。不过我们要选择0603的MLCC的电容,而且要注意电路布局。如果我们沿着电路板上的电流路线,可以发现电路板铜线上存在电感。在任何电流路径上的电感与该路径的闭环面积呈正比。因此,当你围绕一个区域对元器件进行布局时,你需要把元器件紧凑地布局(为了使电感为最低)


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ykkj
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2010-01-29 15:52
评论: good

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archeng504
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2010-01-23 09:13
评论: 顶一顶

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fhdz
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2010-01-06 16:55
评论: 看来汽车电子的作用很大,可以武装自己

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烟烟
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2010-01-06 16:04
评论: 顶一下,以后吵架都超不过你了

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honeir
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2010-01-06 13:26
评论: 理解太深刻了,写的真是精彩!

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overlay_chen
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2009-11-27 10:07
评论: 有收获。

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蓝风风云
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2009-11-26 19:41
评论: 写得不错的东西,支持!

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bysj2008
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2009-10-31 21:23
评论: 很好,长知识了~

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azier
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2009-10-13 19:42
评论: 恩长见识了 初学者

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haip
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2009-10-12 10:08
评论: 读完,写的很好
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