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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:266


5、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,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。等效串联电阻也不可消除的,很简单,因为制作电容的材料不是超导体。 讨论实际电容特性之前,首先介绍谐振的概念。对于图 4 的电容模型,其复阻抗为: 



当频率很低时,2πf ESL < 1/ 2πfC,整个电容器表现为电容性, 


当频率很高时,2πf ESL > 1/ 2πfC,电容器此时表现为电感性,因此“高频时电容不再 是电容” ,而呈现为电感。当 



此时容性阻抗矢与感性阻抗之差为 0,电容的总阻抗最小,表现为纯电阻特性。该频 率点就是电容的自谐振频率。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。因此,实际电容器都有一定的 工作频率范围,只有在其工作频率范围内,电容才具有很好的退耦作用,使用电容进行电源 退耦时要特别关注这一点。寄生电感(等效串联电感)是电容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 陶瓷电容,其阻抗随 频率变化的曲线。 



电容的自谐振频率值和它的电容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,确定电容的有效频率范围。下面列出了 AVX 生产的陶瓷电容不同封装的各项 参数值。 



电容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电容, 其等效串联电感基本相同。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。 


既然电容可以看成 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,所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等,电容上的 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。电容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,电感或电容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。 


6、电容的安装谐振频率


上一节介绍的是电容自身的参数, 当电容安装到电路板上后, 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,因为我们关注的是电容安 装到电路板上之后的表现。 


电容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 电容的特性影响最大。电容安装后,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,电容要对距离它 2 厘米处的 一点去耦,这时寄生电感包括哪几部分。首先,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。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电容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 电容为例,计算安装前后谐振频率的变化。 参数如下: 容值: C=0.01uF。 电容自身等效 串联电感: ESL=0.6 nH。安装后增加的寄生电感:Lmount=1.5nH。 


电容的自谐振频率: 



安装后的总寄生电感:0.6+1.5=2.1nH。注意,实际上安装一个电容至少要两个过孔,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。但是在电容的 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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