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高速数字电路电源系统的电磁兼容研究

高速数字电路电源系统的电磁兼容研究

点击数:7415 次   录入时间:03-04 11:48:27   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘


                (8)


其中,dt等于最慢的瞬态电流的上升时间(低频)。假设有一个2A的瞬态电流,电压整流模块会在15μs内响应。电源分布系统1.8V的电源供电电压保持在5%的范围内。需要的大电容估算是:


(9)


显然,要找到333μF的陶瓷电容是并不容易的。设计者必须找到一个合适的电容,对其进行并联放置以达到所需要的电容和目标阻抗。添加电容的ESL不在去耦中起到主要的作用,但是设计者还是应该尽可能选择比较小的值,这样能够在比较宽的频率范围内减少阻抗。这样有助于减少板上的去耦电容的数量。


在高频(几百MHz)范围内,采用减少寄生电感的方式比提高电容值更有效一些。限制最大的电感量可以使纹波电压达到最小:


                (10)


其中,dt是瞬态电流的最快上升时间。假设一个2A的电流有着1ns的上升时间,电源分布系统保证1.8V电源供电5%以内的纹波。允许的电感量估算如下:


(11)


现在要找到一个ESL为45pH的表贴陶瓷电容还是比较困难的,普通的表贴电容的寄生电感还是nH级的。反之来说,设计者要想达到这一电感量和目标阻抗,首先要选择一个寄生电感足够小的电容(在较高频率的去耦方面,电容量的选择并不起到首要的作用,但是假如给定了最低的ESL,我们必须选择最高的可能容值。因为这样能够在较宽的频率范围内减小阻抗值)。足够数量的低电感电容必须被并联放置,但是往往需要放置的电容比电路板空间所允许的更多。


3 去耦电容的PCB设计
在印制电路板上,芯片-盘垫-走线所形成的环路电流所造成的电感则大得多。连接去耦电容到电源轨道的走线电感要比电容上的寄生电感明显要大。通常的经验数据是走线电感为10nH/in.。因此当其被安装到这种高电感的安装结构中,一个低电感电容的高频去耦性能会显著的降低。普通的表贴电容的ESL基本都是nH级的,而走线、焊盘设计所带来的寄生电感的增加要比电容自身的 ESL 明显得多。在现在的高频去耦应用中,最小化环路电感也是至关重要的。一种最小化环路电感的方式是减少环路区域的大小。对布局来说,将电源轨道走得越近越好,甚至是将电源轨道走在IC之下,这样就可以减少环路区域的面积。尽管如此,对高频去耦来说,其性能还是会受限于走线和电源轨道的电感。通过使用过孔在盘垫中的方式,环路电感还可以进一步的降低。


在最优的盘垫设计下,主导电感的是过孔和电容的高度。过孔就像是一个天然的电感线圈一样。过孔的电感值正比于其长度和直径。通过一个过孔(8mil)穿过60mil的电路板连接一个去耦电容能够增加1nH的电感。此外,电流传送的垂直距离会增加环路的大小从而增加电感量。最优的盘垫设计和最小化电容顶部到电源和地层的距离,这样和去耦电容相关的电感就被减到最小。

结语
电源分布系统的低阻抗设计是保证电源系统稳定和系统电磁兼容性的重要因素。当然,电源分布系统设计问题并不止包括低阻抗设计、去耦电容这些问题,更有多电源层的排布、电源层面的分割与隔离,以及电源层面的20H原则,等等。

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