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數(shù)字電路中的電源電壓波動和源阻抗

發(fā)布時(shí)間:2014-07-16 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】因?yàn)殡娮釉O(shè)備內(nèi)的電源和接地為很多電路所共用,所以它們可能成為噪聲傳出或者進(jìn)入的便捷通道,如圖1所示。為防止噪聲傳導(dǎo),可如圖2(a)所示插入一個(gè)電源濾波器。濾波器的效用可按照除電源外其他情形的同樣方式以插損或S參數(shù)來表示。

同時(shí),電源為負(fù)載電路提供電流。如圖2(b)所示連接一個(gè)數(shù)字IC,數(shù)字IC會通過其運(yùn)行改變電源電流,使電源感應(yīng)到噪聲,進(jìn)而可能干擾電路本身的運(yùn)行。下文中將這一現(xiàn)象稱為電源電壓的波動。電源濾波器也需要具有抑制電源電壓波動的作用。

一般而言,濾波器防止噪聲傳導(dǎo)的效果與抑制電源電壓波動的效果并不不同。其抑制電源電壓波動的效果通過源阻抗來表示。當(dāng)電源電壓的波動傳到外部時(shí),噪聲將會如圖2(a)所示被傳出。盡管這兩種噪聲看似不同,但它們卻相互關(guān)聯(lián)。
本章節(jié)主要針對數(shù)字電路,介紹電源電壓波動和源阻抗。


噪聲經(jīng)過電源線的出入口
圖1 噪聲經(jīng)過電源線的出入口


電源噪聲抑制的兩種視角
圖2 電源噪聲抑制的兩種視角

電源電壓波動

(1) 數(shù)字電路的運(yùn)行與源阻抗
如第2章的章節(jié)2-3所述,在電路運(yùn)行中,數(shù)字電路的電源和接地中會產(chǎn)生長釘形的電流。這種電流將噪聲感應(yīng)到電源,使電源電壓發(fā)生波動,導(dǎo)致電路無法穩(wěn)定運(yùn)行。它也會更容易引起信號波形和產(chǎn)生噪聲方面的問題。
防止電源電壓波動的功能通過源阻抗[參考文獻(xiàn) 5]來表示。源阻抗是電源品質(zhì)的一個(gè)指標(biāo),表示為圖2(b)中連接數(shù)字IC(負(fù)載)的位置處(電源端子等)電源側(cè)的阻抗。[page]

(2) 電源電壓波動的影響
圖3中的示意圖解釋了當(dāng)噪聲被感應(yīng)到數(shù)字IC電源時(shí)整個(gè)設(shè)備的噪聲產(chǎn)生的影響。IC電源電壓波形如圖中間所示。根據(jù)長釘形的波形,可以發(fā)現(xiàn) 這是數(shù)字電路運(yùn)行中感應(yīng)的噪聲。在此,長釘形的波形被稱為電源電壓的波動。這種效應(yīng)會干擾電路的穩(wěn)定運(yùn)行和增速,或?qū)⒃肼晹U(kuò)散至電源線或信號線,或使信號 波形失真,如圖中(1)到(4)所示。如果擴(kuò)散至電源線的噪聲由電纜發(fā)射,則會成為關(guān)乎噪聲規(guī)定的問題。

電源電壓波動的影響
圖3 電源電壓波動的影響

(3) 電源噪聲的頻譜
電源電壓的波動源自在數(shù)字信號上升和下降瞬間流經(jīng)的電流。因此,如果噪聲源的電路很簡單,電源電壓波動相關(guān)的噪聲也具有像信號諧波一樣的離散分布頻 譜。圖4給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)的示例,其中以20MHz運(yùn)行的數(shù)字IC的電源發(fā)射噪聲。電源電壓每隔50ns(20MHz)呈現(xiàn)出長釘形,而且可以發(fā)現(xiàn) 當(dāng)噪聲發(fā)射時(shí),每隔20MHz就可以觀察到噪聲頻譜。

觀察數(shù)字IC電源噪聲的實(shí)驗(yàn)
圖4 觀察數(shù)字IC電源噪聲的實(shí)驗(yàn)

(4) 源阻抗的頻率特征
為減少電源電壓波動,要降低源阻抗。因?yàn)楦鶕?jù)歐姆定律阻抗與電壓存在比例關(guān)系,如果流經(jīng)數(shù)字IC的電流恒定,電壓波動就會減少,因?yàn)樵醋杩挂步档土恕?br /> 圖5給出了源阻抗測量結(jié)果的一個(gè)示例。一般而言,電源具有較小的源阻抗更好,這樣能提供較高的電源性能和出色的降噪能力。


源阻抗測量結(jié)果的示例
圖5 源阻抗測量結(jié)果的示例

(5) 源阻抗測量
因?yàn)樵醋杩狗浅P。院茈y進(jìn)行測量。圖5顯示了通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的結(jié)果。由于測量值隨測量探針的位置而改變,因此需要在既定的位置仔細(xì) 進(jìn)行測量。通常是在IC(負(fù)載)的電源端子和接地端子之間測量。為消除IC的影響并提高測量精確性,需要暫時(shí)將IC從PCB移開,然后測量PCB側(cè)的阻 抗。[page]

去耦電容器

如果電源電路基于負(fù)載的電流恰當(dāng)運(yùn)行,源阻抗的理想值應(yīng)該為零。但是,在現(xiàn)實(shí)生活中,在10MHz以上的高頻范圍內(nèi)阻抗會逐漸增加(如圖5所示),而且在某些情況下,它還會高達(dá)幾10Ω。

(1) 去耦電容器
如圖6(a)所示,由于連接電源和負(fù)載的線路具有電感和電阻,即使電源在理想情況下運(yùn)行(0Ω),負(fù)載側(cè)還是會產(chǎn)生一些阻抗。特別是在高頻范圍內(nèi),線路中的電感是使阻抗升高的主要原因。
為降低高頻范圍內(nèi)的源阻抗,如圖6(b)所示在電源和地線之間靠近負(fù)載的地方連接一個(gè)電容器。這個(gè)電容器稱為去耦電容器、電源旁通電容器或者旁通電容器等。


去耦電容器的運(yùn)行
圖6 去耦電容器的運(yùn)行

(2) 電源電壓波動的吸收
去耦電容器作為臨時(shí)儲電器吸收負(fù)載電流的改變,防止電源電壓的波動和噪聲的產(chǎn)生。因?yàn)槠浞胖迷谪?fù)載附近,線路阻抗造成的影響會減少。從阻抗的角度而言,這種運(yùn)行方式意味著源阻抗降低了。
但是,即使使用了去耦電容器,還是存在一段導(dǎo)線(如圖6(b)所示),并產(chǎn)生電感。因此,布置電容器時(shí),應(yīng)使這部分越短越好。

(3) 噪聲限制效果
從噪聲抑制的角度來看,可以認(rèn)為去耦電容器限制了負(fù)載和去耦電容器之間線路部分負(fù)載側(cè)電源產(chǎn)生的高頻電流,從而防止了噪聲傳到電源線更遠(yuǎn)的地方。因 此,去耦電容器不僅是穩(wěn)定電路操作而且也是防止噪聲產(chǎn)生的重要元件。為了更有效地防止噪聲傳導(dǎo),可如圖2(a)所示增加一個(gè)鐵氧體磁珠,或者也可 使用具有出色靜噪性能的電容器,如三端子電容器。

(4) 證實(shí)去耦電容器的效用
圖7顯示了針對圖4中的測試電路使用去耦電容器時(shí)電源電壓波動發(fā)生的變化。通過連接電容器,電壓波動幅度從0.48V降至0.10V,同時(shí)噪聲發(fā)射降低了10dB。
圖8指出了使用更高性能的三端子電容器的情形。對比使用普通MLCC的情形,電源電壓的波動幅度有所降低,同時(shí)也顯著抑制了噪聲發(fā)射。這是因?yàn)槿俗与娙萜骶哂袑榻翟朐O(shè)計(jì)的有利結(jié)構(gòu)。三端子電容器將在第6章中進(jìn)一步講述。

通過去耦電容器抑制電源電壓波動
圖7 通過去耦電容器抑制電源電壓波動

當(dāng)三端子電容器用作去耦電容器時(shí)
圖8 當(dāng)三端子電容器用作去耦電容器時(shí)

[page]環(huán)路阻抗

(1) 源阻抗的頻率范圍
圖5中所示的源阻抗實(shí)際上給出了一個(gè)例子,其通過使用多個(gè)去耦電容器實(shí)現(xiàn)了極低的阻抗。這些頻率特征可以分為如圖9所示的三個(gè)區(qū)域。

(2) 什么控制著低頻范圍?
①的低于1MHz較為平緩部分可觀察到的電源模塊輸出阻抗。如果不使用去耦電容器,阻抗會從圖中虛線所指示的較低頻率處開始增加。這是因?yàn)殡娫茨K的輸出特征和線路中電感的作用。
如果使用去耦電容器,可抑制高頻范圍的阻抗。

(3) 什么控制著高頻范圍?
圖9中(2)和(3)指示的是相對較高的頻率范圍,在其中可觀察到去耦電容器的阻抗。(2)是電容器存在電容阻抗的頻率范圍,可通過將靜電 容量的大小進(jìn)行一定程度地控制。(3)是電容器存在電感阻抗的頻率范圍。為進(jìn)一步降低此區(qū)域的阻抗,需要降低去耦電容器的ESL,或者降低連接至電容器線 路的電感。


源阻抗的頻率特征及發(fā)揮作用的元件
圖9 源阻抗的頻率特征及發(fā)揮作用的元件

(4) 環(huán)路阻抗
線路電感由負(fù)載IC和去耦電容器之間連接的模式和通孔構(gòu)成,如圖10中所示。將經(jīng)過這些元件的整個(gè)電流環(huán)路之和與電容器的ESL相加,可得出總電感。圖11為等效電路。
去耦電容器所建立電流環(huán)路的阻抗可以稱為環(huán)路阻抗。圖9所示區(qū)域(3)的環(huán)路阻抗是主要來自線路和電容器本身的電感所致。
為降低高頻范圍內(nèi)的環(huán)路阻抗,需要降低電感。也就是說,當(dāng)環(huán)路阻抗的目標(biāo)值為ZTarget (Ω),頻率為ƒ(Hz),總阻抗為LLoop (H),可得出如下公式:

(公式1)
例如,如果需要將100MHz處的環(huán)路阻抗降低到1Ω或更少,總阻抗需要約為1.6nH或以下。這是一個(gè)極低的值。

(5) 環(huán)路阻抗的要素
因?yàn)閷?shí)際電路可能存在導(dǎo)線分支的情況或者有多個(gè)電容器,所以不能像圖10和圖11那樣簡單地思考問題。但是,這個(gè)模型是有用的,可以作為將環(huán)路阻抗分解為各個(gè)要素的理念。為有效地盡量降低環(huán)路阻抗,需要降低在總阻抗中占很大一部分的電感。


環(huán)路阻抗的要素
圖10 環(huán)路阻抗的要素


去耦電路的等效電路
圖11 去耦電路的等效電路

[page]如何盡量降低環(huán)路阻抗

為盡量降低高頻范圍內(nèi)的環(huán)路阻抗,需要降低電容器的ESL和線路的電感。如果能夠進(jìn)行巧妙地設(shè)計(jì),可以將雙層基板的總電感降低至約幾nH,多層基板則可降低至1nH或以下。在圖9的示例中,其值約為0.3nH。

(1) 使用低ESL電容器
每個(gè)電容器(如果是MLCC)的ESL約為0.5nH,在總電感中占很大一部分。為降低此值,可使用低ESL電容器。

(2) 降低線路電感
要降低線路和通孔中的電感,線路和通孔應(yīng)該要“粗且短”。例如,在布置電容器和通孔時(shí),應(yīng)減少圖10中所示電流環(huán)路的面積。此外,布局模式應(yīng)該盡可能地寬。將電容器放置在(基板另一側(cè))IC的正下方,并使基板變薄,通常能夠讓電流環(huán)路變小。

(3) 電容器和通孔的并聯(lián)
當(dāng)并聯(lián)使用眾通孔通路和電容器時(shí),可降低阻抗。
因?yàn)榫€路和通孔的電感非常小,而且還涉及互感,所以很難得到一個(gè)簡單的判斷。為此,可使用電磁模擬裝置估計(jì)這樣的環(huán)路阻抗。圖12給出了電感的一 般范圍供您參考。但是,根據(jù)線路的不同形狀,電感可能相差好幾倍。此外,即使只是1mm的長度,也會造成約0.5nH的電感,這是無法忽略的。


降低環(huán)路阻抗的電容器布置
圖12 降低環(huán)路阻抗的電容器布置

(4) 注意反諧振
如果使用了兩個(gè)或更多個(gè)電容器,需要考慮電容器之間發(fā)生的諧振。一般而言,如果并聯(lián)連接具有不同自諧振頻率的多個(gè)電容器,反諧振會導(dǎo)致具有高阻抗的頻率(將在第6章中進(jìn)行探討)。
除了線路電感之外,還需要考慮在100MHz以上的高頻范圍內(nèi)存在的靜電容量。此外,電源層的諧振和IC封裝的影響也會在高頻范圍內(nèi)變得顯著。鑒于要素如此復(fù)雜,也可使用電磁模擬裝置。

[page]源阻抗和噪聲抑制之間的不同

前已述及,使用電源濾波器的另一個(gè)重要目的在于防止噪聲進(jìn)入和傳出。通常而言,濾波器包括電容器和電感器,它們形成一個(gè)低通濾波器。圖2(b)顯示了電源用典型濾波器的結(jié)構(gòu)。(濾波器的功能和結(jié)構(gòu)將在第3章中進(jìn)一步描述。)

盡管電容器和電感器都能減少噪聲,但它們在抑制源阻抗方面以不同的方式發(fā)揮作用。圖13顯示了一個(gè)T型濾波器的情形,其中電容器用于降低阻抗,而 電感器卻用于增加阻抗。因此,在使用電容器時(shí),如果使用的是如圖7和8所示的高性能電容器,通常能在抑制電源電壓波動和減少發(fā)射的噪聲方 面取得更好的成效。但是,如果使用電感器,就需要注意,即使能夠減少噪聲,但卻可能加劇電源電壓的波動。因此,如果使用電感器抑制IC電源終端的噪聲,應(yīng) 該將電感器放置在圖13(a)中的位置(b)而不是位置(a)。此外,耦合電容器靜電容易應(yīng)該要足夠大。


使用濾波器元件的作用和反作用
圖13 使用濾波器元件的作用和反作用

在噪聲路徑上采取噪聲措施

盡管使用去耦電容器降低了源阻抗從而抑制了電壓波動,但在減少噪聲方面可能無法看到充分的實(shí)效。圖14給出了一個(gè)模擬之前測試中相關(guān)情形的示例。
圖14中指示了電容器(a)和(b)的位置((a)與圖7中采用MLCC的一樣)。兩個(gè)IC都在距電源終端6mm的位置處布置了去耦電容器,因此可以認(rèn)為環(huán)路阻抗是相同的。電源電壓波動也在同樣的范圍內(nèi)。但是,(b)發(fā)射的噪聲比(a)高10dB。
產(chǎn)生這種差別的原因在于(a)在能夠傳導(dǎo)噪聲的路徑上使用電容器,而(b)在(IC和會發(fā)射噪聲的天線之間的)噪聲路徑之外使用電容器。因此,需要沿著噪聲路徑連接濾波器,以便消除噪聲。[page]


在不同位置連接電容器產(chǎn)生的噪聲抑制效果的差別
圖14 在不同位置連接電容器產(chǎn)生的噪聲抑制效果的差別

噪聲路徑未知時(shí)怎么辦

圖14中的測試說明,如果提前知道噪聲路徑在哪里,就可以很輕松地將電容器連接在位置(a)。但是,噪聲路徑通常是未知的。在某些情況下,線路的兩個(gè)部分都存在噪聲路徑,如圖15(a)所示。這時(shí),哪里才是放置電容器的最佳位置呢?
在這種情況下,可如圖15(b)所示將電容器放置在線路的兩側(cè)以限制噪聲。盡管這種方法需要更多的電容器,但由于電容器是并聯(lián)連接在線路左側(cè)和右側(cè),可以減少噪聲干擾的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也可降低環(huán)路阻抗。
或者,可如圖15(c)所示通過電容器再連接電源線。這種方法可以加強(qiáng)源阻抗和降噪效果,但不足以完全消除噪聲。
效果最好的方法是通過一個(gè)低ESL電容器(如三端子電容器)連接電源線,如圖15(d)所示。這樣可以獲得源阻抗和噪聲均減少的出色效果。


噪聲傳到兩側(cè)時(shí)的電容器布置
圖15 噪聲傳到兩側(cè)時(shí)的電容器布置

如果針對多層電路板使用電源層,由于其線路電感小,因此有利于抑制源阻抗。但是,直接連接電源終端和電源層會導(dǎo)致難以縮小噪聲傳播路徑的寬度,從而 不利于防止噪聲傳出。圖15(c)和圖15(d)所示的通過電容器連接噪聲源電源(電源層)的方法也適用于多層線路板,能夠改善噪聲抑制 效果。

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