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  • 电源去耦
    2019-07-07 09:56:41

    2019.7.6 电源去耦

    设计原因:
    在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个状态转变为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。配置去偶电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法。

    配置规则:

    • 电源输入端跨接一个10~100uf 的电解电容,如果印制电路板位置允许,采用100uf以上的电解电容抗干扰效果会更好。用来过滤板子产生的低频噪声,如60Hz线路频率。
    • 为每个集成电路芯片配置一个 0.01uf 的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小装不下时,可每4~ 10个芯片配置一个1~10uf的钽电解电容,这种电容高频阻抗特别小,在500K ~ 20MHz范围内阻抗小于1欧姆,且漏电流很小(0.5uA以下)。最好不要用电解电容,其结构让其在高频时表现为电感。选取计算:C= 1 / f ,即10MHz取0.1uF。
      ····· 每个集成电路+芯片的每个电源和地 之间一个去偶电容(原因:由于大部分能量交换主要集中于器件的VCC和GND,而这些引脚又是独立直接和地平面相连接的,这样,电压的波动其实主要来源于电流分配不合理,但电流分配不合理主要是由大量过孔和隔离带造成的。为减小集成电路芯片上的电压瞬时过冲,应为集成电路芯片添加去偶电容,可有效去除电源毛刺。当去偶电容直接连接在集成电路管脚时平滑毛刺效果最好——这也是为什么有一些器件插座上带有去偶电容,而有的器件要求去偶电容距器件的距离要足够小),每个电解电容边上都要添加一个小的高频旁路电容。·陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好,数字电路中典型值为0.1uF(5nH分布电感,共振频率大约7MHz左右,**也就是说?()**对10MHz以下噪声有较好去耦作用,对40MHz以上噪声基本无作用)
    • 对于抗噪声能力弱,关断时电流变化大旳器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片VCC和GND间直接接入去偶电容。
    • 去偶电容引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线(自解:防止电感效应)。
    • RC串联消除接触器、继电器、按钮操作时的火花,R:1 ~ 2K; C: 2.2 ~ 47uF。
    • CMOS
    • 高频、中频、低频去偶电容选择。高频电容计算:
    • 大容量钽电容做电路储能时应注意:
      https://wenku.baidu.com/view/d57dac26dd36a32d737581cc.html
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  • 电源去耦的原因-和如何电源去耦

    万次阅读 多人点赞 2016-11-22 15:07:08
    浅谈电源去耦——电源去耦的原因【转载】 浅谈电源去耦系列第一篇,希望从定性的角度谈谈自己对电源去耦的理解。也是Andrew的第一篇博文,希望大家支持,不足之处也请各位多多指正浅谈电源去耦——电源去耦的原因1....

    浅谈电源去耦——电源去耦的原因【转载】
    浅谈电源去耦系列第一篇,希望从定性的角度谈谈自己对电源去耦的理解。也是Andrew的第一篇博文,希望大家支持,不足之处也请各位多多指正浅谈电源去耦——电源去耦的原因

    1.理想的电源
    “理想的电源”的电压是稳定不变的,没有任何噪声的,输出功率是不受限制的,并且响应速度是无限快的。即无论负载的消耗的电流如何变化、以怎样的速度变化,电源的电压都应该是一个稳定不变的值。不会受到负载的任何影响,也完全符合的负载的供电需求,不会影响负载的正常工作。

    2.实际电路常用电源器件的简单介绍:
    电子电路中经常使用的实际电源器件由两种:
    1.线性稳压器:
    这种电源的原理结构图一般如下所示
    这里写图片描述
    利用负反馈的原理,将输出的电压通过两个电阻分压之后反馈到“运放”的输入端,而运放的另一输入端接一固定的参考电压Vref,根据虚短虚断和负反馈的原理,运放会自动调节输出电压,从而调节调整管的导通电阻(图中的FET),使输出电压Vout和Vref之间满足Vout·R2/(R1+R2)=Vref。可见,线性稳压电源可以等效成为一个串联在电源和负载之间的可变电阻,当电源的电压或负载电流发生变化时,该电阻的阻值随之变化,从而使负载分到的电压保持不变

    2.开关电源:
    升压型开关电源为例,其一般结构如下图
    这里写图片描述
    图中的FET起开关作用,FET导通时电源对电感和电容充电,并且给负载提供能量,FET关断时,电感电容中储存的能量通过续流二极管形成回路,给负载提供电能。控制FET开关的占空比就可以调节输出电压的大小。
    电子电路中常用的电源就是以上两种,这两种各有优缺点,使用场合也有差别,并且每种都可继续细分为多种子类,这已经超出了本篇电源去耦的范畴。从上面简单的介绍中我们可以看出这两种实际的电源都是有局限性的。

    3. 实际电源与理想电源的差距:
    (1)实际电源器件的特性与理想电源之间有差距:
    响应速度:前面说线性稳压电源是通过负反馈来改变调整管的导通电阻实现稳压的。但运放的带宽都是有限的,并且负反馈的过程需要一定的时间。所以实际的线性稳压电源是需要一定的响应时间。换句话说,当输入电压或负载的电流变化速度过快或幅度过大时,电源器件来不及响应或不能完全消除这种变化,则负载的供电电压就会变化,影响负载的正常工作。
    噪声特性:开关电源由于工作在开关状态下,即电路内部有电流的急剧变化,所以噪声相对线性稳压器更大。并且电源内部的各种半导体器件自身也有噪声。这些噪声和电源的不理想特性都会对负载造成一定的影响。
    具体描述电源器件特性的参数有线性调整率、负载调整率、输出电压噪声等。
    (2)PCB走线对电源质量有影响:
    我们都知道,高速的PCB一般都是多层板,其中有专用的电源层,目的是减小电源线的寄生电感。电感的作用是阻碍电流的迅速变化,如果电源线的寄生电感很大,则当负载突然需要电流的时候,无法及时的从电源处获取。而宽大的电源平面可以将寄生电感最小化,提高电源的质量。
    而即使如此,寄生电感还是存在的。为了提供芯片需要的瞬时电流,经常在芯片引脚处放置去耦电容(电容的电流可突变,电压不可突变)。
    (3)外界干扰对电源质量有影响:
    电源线在走线过程中也会受到板上其他信号和空间的电磁干扰的影响从而噪声变大。去耦电容可以有效的滤除这些噪声
    总结:电源去耦的最终目标是为了负载能够正常工作,使电源特性更加接近理想电源——能快速响应负载的电流需求、电压稳定、干净无噪声。使电路各部分之间通过电源产生的耦合干扰降至最小。

    浅谈电源去耦——如何电源去耦

    1.常用于电源去耦的元件组合
    (1)不同容值的电容组合
    小容值的电容可以滤除电源线上的高频噪声,使电源更加干净,并且负责提供负载的高频电流需求。
    大电容同样起到蓄流的作用,响应负载的低频电流需求,滤除电源线上的低频波动。
    理论上,对于任意固定频率,容值越大的电容阻抗越小。但由于电容本身也有寄生电感,而且往往容值越大寄生电感越大,在高频处,电容最终都会显现出感性,阻抗随频率的升高而升高。小电容的转折点(下图中的阻抗曲线的最低点)频率值较之大电容更大。所以大电容对高频电流的响应特性没有小电容好。
    下图是不同容值电容的阻抗随频率变化的曲线。但是大电容可以响应频率相对较低,电流需求大的电流变化。
    不同容值电容的阻抗随频率变化的曲线
    (2)不同封装的电容组合:
    普遍来说,贴片电容比直插电容的寄生电感小,长宽比小的比长宽比大的封装寄生电感小(同容值,0612的电容比1206电容寄生电感小,高频特性更好)。
    (3)不同种类的电容组合:
    贴片陶瓷电容:高频特性最好,但容值较小,常用的最大容值为10uF。常用于高频电路的电源滤波去耦。
    钽电解电容:高频特性较好,相同体积下可以实现最大的容值。确定是耐压值较低,容易损坏。
    铝电解电容:高频特性最差,但是容值最大,可以做到几千微法。常用于电源入板处的滤波和去耦,此处的电容需要有容量大的特点,但对响应速度要求不高。
    因此,各种类型的电容在电源去耦中担当的角色一般是这样的:陶瓷电容最靠近芯片,负责提供负载高频的电流需求和噪声过滤,容值一般几nF到几uF之间。钽电容和铝电解电容因为容量大、响应速度较慢,一般用于板级的电源去耦和滤波,或者是大功率电路的电源去耦。当即要求速度,有要求容量的时候一般用多个瓷片电容并联或瓷片电容与钽电容并联。选择钽电容,耐压值要留有一定的裕量,因为电源上电瞬间一般会有一定的过冲,容易损坏钽电容。电源处并联上稳压管或TVS管可以抑制过冲,是很有效的解决办法、
    (注:各种电容的ESR、ESL等参数之间有差异,详细可百度华为公司的内部资料:无源滤波器件——电容的介绍与深入认识
    (4)电容和电感、磁珠的组合:
    一般的电源去耦只需要去耦电容即可满足实际需求,但对电源质量要求很高的模拟电路等,仅仅使用去耦电容可能效果有限,因为如论并联多少个电容,都只能形成单个极点,响应曲线的滚将速度只有20dB/10倍频。因此,可以在电源线上串联电感或磁珠。这样可以进一步减少电源波动对负载的影响,也能防止一些高噪声的负载通过电源线将噪声耦合到其他敏感的电路上。
    2.不同电路中的电源去耦
    (1)小功率电路
    模拟电路
    比如信号处理电路,中常用10uF和100nF贴片瓷片电容去耦。有的时候受到电路板空间的限制,可以多个芯片公用一个10uF的电容,但应保证每个芯片的电源引脚处都就近放置一个100nF的电容。
    高精度的模拟电路中,经常放置多个容值梯度的电容(如10uF、100nF、1nF并联),保证去耦电容可以过滤很宽频率范围内的电源噪声。并且电源线串联磁珠会进一步减小噪声。
    数字电路
    数字电路工作在高速开关状态下,电源电流变化迅速,并且数字信号中有丰富的高频成分,会对电源造成干扰,因此常用100nF的贴片陶瓷电容进行电源去耦。
    电路板的电源入板接口处通常放置容值较大的电解或钽电容。此用途为电源滤波。
    (2)大功率电路
    大功率的电路的电源去耦(如电机驱动H桥的电源去耦)要用到更大容值的电容,比如470uF甚至几千微法的电解电容,但是除了用电解电容之外,还需要并联上几个瓷片的小电容,提高高频响应特性,过滤MOSFET高速开关因此的电源毛刺。
    3.去耦元件的放置原则
    (1)就近原则
    去耦电容应尽可能的靠近芯片的电源引脚。减小去耦电容和芯片之间走线的寄生电感,去耦效果更好。
    (2)越小越近的原则
    小容值电容最靠近芯片,然后按照容值递增的原则依次远离芯片(远离是相对的,前提是遵循就近原则)。小电容负责高频响应,应该更靠近芯片缩短响应的时间。并且小电容可以滤除高频噪声,若距离芯片太远,则电容和芯片之间的走线会重新拾取噪声,削弱去噪效果。
    (3)电源线先经过去耦电容再连接至芯片引脚:

    展开全文
  • 本文主要介绍了数模转换器电源去耦的问题和分析
  • 文章简单介绍了保护待测设备的电源去耦
  • 尽管高速ADC给电源带来的总负载是稳定的,但需要电流以ADC采样速率和此频率的谐波快速跳变。
  • 1.耦合机理及去耦需求 集成电路芯片都有电源引脚,有的甚至有多个电源电压和模拟数字混合电源。无论电源引脚数量如何,每路电源都有其允许范围,包括推荐工作范围和最大绝对值。为防止芯片损坏、保持正常工作,必须...

    1.耦合机理及去耦需求

    集成电路芯片都有电源引脚,有的甚至有多个电源电压和模拟数字混合电源。无论电源引脚数量如何,每路电源都有其允许范围,包括推荐工作范围和最大绝对值。为防止芯片损坏、保持正常工作,必须遵守这些限制条件。

    然而,由于噪声和电源纹波导致的电源电压微小变化——即便仍在推荐的工作范围内——也会导致器件性能下降。例如在集成运放中,微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化,如下图所示:
     

    运放的电源抑制显示输出电压对电源轨变化的灵敏度标题

    运放对电源电压变化的灵敏度用电源抑制比(PSRR)来量化,其定义为电源电压变化与输出电压变化的比值。通常情况下,这个比值越大,则说明器件的稳定性越强。

    上图显示了典型高性能放大器(OP1177)的PSR随频率以大约20dB/10倍频程下降的情况。图中显示了采用正负电源两种情况下的曲线图。尽管PSRR在直流下是120dB,但较高频率下会迅速降低,此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。

    如果芯片驱动较大负载,并且在电源轨上存在分布阻抗(寄生),则负载电流会调制电源轨,在分布阻抗上形成压降,增加了交流信号中的噪声和失真。

    在高频数字电路中,高频IC的性能会随着电源上的噪声而变差,降低逻辑电平的噪声容限,时钟抖动产生错误时序。

    2.去耦原理

    典型的4层PCB通常设计为接地层、电源层、顶部信号层和底部信号层。表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层,从而最大限度地减少接地连接中的无用阻抗。
    电源轨通常位于电源层,并且路由到IC的各种电源引脚。显示电源和接地连接的简单IC模型如下图所示。
     

    显示走线阻抗和局部去耦电容IC模型

    IC内产生的电流表示为IT。流过走线阻抗Z的电流产生电源电压VS的变化。如上所述,根据IC的PSR,这会产生各种类型的性能降低。通过使用尽可能短的连接,将适当类型的局部去耦电容直接连接到电源引脚和接地层之间,可以最大限度地降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去耦电容用作瞬态电流的电荷库,并将其直接分流到地,从而在IC上保持恒定的电源电压。虽然回路电流路径通过接地层,但由于接地层阻抗较低,回路电流一般不会产生明显的误差电压。

    下图显示了高频去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况。否则,连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。
     

    高频去耦电容的正确和错误放置

    上图左侧,电源引脚和接地连接都尽可能短,是最有效的走线方式。但在上图右侧中, PCB走线内的寄生电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低,且增加封闭环路可能造成干扰问题。

    3.选择去耦电容及磁珠

    低频噪声去耦通常需要用电解电容(典型值为1µF至100µF),以此作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容(典型值为0.01µF至0.1µF)直接连接到IC电源引脚,可最大程度地抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。此连接需要短走线或过孔,以便将寄生串联电感降至最低。

    大多数IC数据手册在应用部分说明了推荐的电源去耦电路,用户应始终遵循这些建议,以确保器件正常工作。

    铁氧体磁珠(以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷)也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下(<100kHz)为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。 100kHz以上,铁氧体成阻性(低Q)。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。

    铁氧体磁珠并不一定需要加,但可以增强高频噪声隔离和去耦。还有一点容易忽略,就是需要验证磁珠会不会饱和,特别是在运算放大器驱动高输出电流时。当铁氧体饱和时,它就会变为非线性,失去滤波特性。请注意,某些铁氧体甚至可能在完全饱和前已经呈非线性。因此,如果需要功率级,以低失真输出工作,当在磁珠饱和区域附近工作时,应检查磁珠的饱和性。最重要的参考参数是其通流电流,一般工作点放在磁珠额定电流的一半比较合适。典型铁氧体磁珠阻抗如下图所示。

    铁氧体磁珠的阻抗

    在为去耦应用选择合适的类型时,需要仔细考虑由于寄生电阻(ESR)和电感(ESL)产生的非理想电容性能。

    实际电容的等效图

    下图是实际电容的阻抗曲线:

    电容的阻抗曲线

     

    电容自谐振频率就是电容电抗(1/ωC)等于ESL电抗(ωESL)时的频率,这时电容阻抗等于ESR。
    对这一谐振频率等式求解得到下式:

    所有电容的阻抗曲线都与图示的大致形状类似(‘V’型)。虽然实际曲线图有所不同,但大致形状相同。最小阻抗由ESR决定,高频区域由ESL决定,而后者在很大程度上受封装样式影响。

    给大家一个去耦电容选型参考:

    频率范围(Hz)去耦电容取值
    DC-100K10uF以上的铝电解或钽电容
    100k - 10M100nF陶瓷电容
    10M - 100M10nF陶瓷电容
    >100M1nF陶瓷电容和PCB地平面与电源平面的电容

    一般运用中,100nF去耦合电容就可以了,但不是什么场合都放100nF去耦电容,而是应该根据工作环境选择,而且去耦电容都应该选择低ESL和ESR型电容。

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    芯片电源去耦电容为什么要靠近电源放置

    在网上搜索无意看到这个问题的连接,点进去看了一下好像所有类似的问题的回答都是粘贴复制的一样,下面我回答一下这个问题,如果有不对的地方请留言,方便改正学习,谢谢

    1.从减少回路电感的角度来讲
    回路电感就是你的电容和芯片内部构成了一个回路,这个回路有什么问题呢?从EMC角度来讲这个回路就像天线一样会有电磁干扰产生,所以我们为了解决这个问题,要尽可能的减少回路的面积,因为天线的增益是和线圈的面积成正比的,减小有效面积就可以减小线圈发射的电磁干扰。
    2.从去耦半径来讲
    总是听老工程师讲这个去耦电容放的太远就不管用了,的意思就是太远的话就超出了电容的去耦半径,下面我来讲一下去耦半径是如何计算的。
    首先我们要知道补偿电流的公式为在这里插入图片描述
    I是补偿电流,R是补偿区域到电容的距离,C是信号传播速度,当R=λ/4时相位相反补偿电流不起作用,根据经验一般取值λ/40~λ/50,知道电容之后我们可以求出回路上面的电感,根据自谐振频率公式f=1/2√LC可以求出自谐振频率,在根据 波速=波长×频率的公式求出波长就可以算出去耦半径是多少了。

    注:以上内容中去耦半径经验值λ/40~λ/50来源于网络,非博主个人经验。

    展开全文
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    2017-10-22 12:26:31
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  • 关于电源去耦时串联电阻的作用

    千次阅读 2013-12-23 16:46:15
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  • https://www.21ic.com/article/874380.html
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