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詳解直流電源完整性(四)如何減少PND'S ESL

文章來源:穩壓電源公司,時間:2017-09-08 09:06    點擊量:

    直流電源電容的安裝諧振頻率當直流電源電容安裝到直流電源電路板上后,還會引入額外的寄生參數,從而引起諧振頻率的偏移.充分理解直流電源電容的自諧振頻率和安裝諧振頻率非常重要,在計算系統參數時,實際使用的是安裝諧振頻率,而不是自諧振頻率,因為我們關注的是直流電源電容安裝到直流電源電路板上之后的表現.

詳解直流電源完整性(四)如何減少PND'S ESL
    直流電源電容在直流電源電路板上的安裝通常包括一小段從焊盤拉出的引出線,兩個或更多的過孔,直流電源層和地層將直流電源與芯片的直流電源管腳連接起來.具體的模型如下圖所示:

    詳解直流電源完整性(四)如何減少PND'S ESL我們知道,不論引線還是過孔都存在寄生電感.寄生電感是我們主要關注的重要參數,因為它對直流電源電容的特性影響最大.總的安裝電感等于走線、過孔以及平面形成的電感的和.所以在進行去耦直流電源電容的PCB布局時,需要盡量減小引線電感,即可以使用多個過孔,過孔盡量靠近直流電源電容管腳,走線盡量粗一些.

    直流電源電容的去耦半徑直流電源電容去耦的一個重要問題是直流電源電容的去耦半徑.大多數資料中都會提到直流電源電容擺放要盡量靠近芯片,多數資料都是從減小回路電感的角度來談這個擺放距離問題.確實,減小電感是一個重要原因,但是還有一個重要的原因大多數資料都沒有提及,那就是直流電源電容去耦半徑問題.如果直流電源電容擺放離芯片過遠,超出了它的去耦半徑,直流電源電容將失去它的去耦的作用.

    理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和直流電源電容補償直流電源電流之間的相位關系.當芯片對直流電源電流的需求發生變化時,會在直流電源平面的一個很小的局部區域內產生直流電源電壓擾動,直流電源電容要補償這一直流電源電流(或直流電源電壓),就必須先感知到這個直流電源電壓擾動.信號在介質中傳播需要一定的時間,因此從發生局部直流電源電壓擾動到直流電源電容感知到這一擾動之間有一個時間延遲.

    同樣,直流電源電容的補償直流電源電流到達擾動區也需要一個延遲.因此必然造成噪聲源和直流電源電容補償直流電源電流之間的相位上的不一致.特定的直流電源電容,對與它自諧振頻率相同的噪聲補償效果最好,我們以這個頻率來衡量這種相位關系.設自諧振頻率為f,對應波長為λ ,補償直流電源電流表達式可寫為:

    其中,A 是直流電源電流幅度,R 為需要補償的區域到直流電源電容的距離,C 為信號傳播速度.

    當擾動區到直流電源電容的距離達到λ/4時,補償直流電源電流的相位為π,和噪聲源相位剛好差180度,即完全反相.此時補償直流電源電流不再起作用,去耦作用失效,補償的能量無法及時送達.為了能有效傳遞補償能量,應使噪聲源和補償直流電源電流的相位差盡可能的小,最好是同相位的.距離越近,相位差越小,補償能量傳遞越多,如果距離為0,則補償能量百分之百傳遞到擾動區.這就要求噪聲源距離直流電源電容盡可能的近,要遠小于λ/4.實際應用中,這一距離最好控制在λ/40 ~λ/50之間,這是一個經驗數據.

    例如:0.001uF 陶瓷直流電源電容,如果安裝到直流電源電路板上后總的寄生電感為1.27nH,那么其安裝后的諧振頻率為141.2MHz,諧振周期為7.05ps.假設信號在直流電源電路板上的傳播速度為166ps/inch,則波長為42.5英寸.直流電源電容去耦半徑為42.5/50=0.849英寸,大約等于2.16cm.本例中的直流電源電容只能對它周圍2.16cm范圍內的直流電源噪聲進行補償,即它的去耦半徑2.16cm.

    不同的直流電源電容,諧振頻率不同,去耦半徑也不同.對于大直流電源電容,因為其諧振頻率很低,對應的波長非常長,因而去耦半徑很大,這也是為什么我們不太關注大直流電源電容在直流電源電路板上放置位置的原因.對于小直流電源電容,因去耦半徑很小,應盡可能的靠近需要去耦的芯片,這正是大多數資料上都會反復強調的,小直流電源電容要盡可能近的靠近芯片放置.

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