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高速PCB中旁路电容的分析 (图)
来源:epc.com.cn 作者:西安电子科技大学电子工程学院模
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摘 要:在当今高速数字系统设计中,电源完整性的重要性日益突出。其中,电容的正确使用是保证电源完整性的关键所在。本文针对旁路电容的滤波特性以及理想电容和实际电容之间的差别,提出了旁路电容选择的一些建议;在此基础上,探讨了电源扰动及地弹噪声的产生机理,给出了旁路电容放置的解决方案,具有一定的工程应用价值。关键词:旁路电容;插入损耗;电流环;地弹噪声
1 引言
---随着系统体积的减小,工作频率的提高,系统的功能复杂化,这样就需要多个不同的嵌入式功能模块同时工作。只有各个模块具有良好的EMC和较低的EMI,才能保证整个系统功能的实现。这就要求系统自身不仅需要具有良好的屏蔽外界干扰的性能,同时还要求在和其他的系统同时工作时,不能对外界产生严重的EMI。另外,开关电源在高速数字系统设计中的应用越来越广泛,一个系统中往往需要用到多种电源。不仅电源系统容易受到干扰,而且电源供应时产生的噪声会给整个系统带来严重的EMC问题。因此,在高速PCB设计中,如何更好的滤除电源噪声是保证良好电源完整性的关键。本文分析了电容的滤波特性,电容的寄生电感电容的滤波性能带来的影响,以及PCB中的电流环现象,继而针对如何选择旁路电容做出了一些总结。本文还着重分析了电源噪声和地弹噪声的产生机理并在其基础上对旁路电容在PCB中的各种摆放方式做出了分析和比较。
2 电容的插入损耗特性、频率响应特性与电容的滤波特性
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2.1 理想电容的插入损耗特性
---观察其中某一条插入损耗特性,当频率增加时,电容的插入损耗值是增加的,也就是说P1/P2值是增加的,这意味着系统通过电容滤波以后,能够传输到负载的噪声减少,电容滤除高频噪声的能力增强。从理想电容的公式 分析,当电容一定时,信号频率越高,回路阻抗越低,也即电容易于滤除高频的成分。从两个方面得出的结论是相同的。
---再观察不同电容所对应的曲线,在频率很低的情况下,各种电容所对应的插入损耗值是近似相同的,但是随着频率的增加,小电容的插入损耗值增加的幅度较大电容要慢一些,P1/P2值增加得也就较慢,也就是说大电容更容易滤除低频噪声。因而我们在设计高速电路板时,通常在电路板的电源接入端放置一个1~10μF的电容,滤除低频噪声;在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01~0.1μF的电容,滤除高频噪声。
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2.2 实际电容的高频响应特性
3 利用电容模型分析PCB中的环流问题
--- 图5为电流环的模型。从电流环模型中我们可以看出,环路中存在寄生电感,它们在高频状态下表现为环路的阻抗可导致供给电源产生尖峰,并会辐射电磁波从而干扰系统的其他部分。环路中Ll为电容管脚引线的封装电感;Lpc为电容管脚到器件电源或者地管脚之间的PCB传输线的寄生电感;Lic为器件管脚引线的寄生电感。另外,在前面我们讨论过电容本身也是具有寄生电感ESL的。这样回路的总电感为:L=2Ll+ 2Lpc+2Lic+ESL。由于环路的寄生电感将会给整个系统带来电磁干扰,产生电压尖峰,这个电压尖峰值同串联电感之间存在一定的关系,近似计算公式如下:
4 电源扰动及地弹噪声的产生机理
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---在高速PCB设计中,在电源管脚附近放置滤波电容就是为了消除电源扰动以及地弹噪声的。系统加上旁路电容以后,由于电容寄生电感的存在,环路的总电感将增加,可能产生的噪声强度也就会更大。因此设计者应该尽可能的选择寄生电感小的旁路电容并合理的将其放置在PCB中。 RFID技术网
5 器件电源管脚旁路电容的放置
---从上文可知,电源扰动和地弹噪声主要来自于芯片的引脚,由于芯片的输出阻抗(芯片的电源或者地管脚的输出阻抗)一般要比电源平面或者地平面的阻抗大得多(如果不是这样的话,将会有大量的电源、地噪声产生),因此可将芯片看作一个噪声源,对于一块合理设计的电路板而言,无论在什么时候,当噪声源的阻抗比负载大得多的时候,噪声源可以看作一个电流源,它将灌入一定量的电流到电源或者地系统中。为了减小电源或者地噪声,就需要采取措施来减小灌入到电源或者地平面当中的电流量。为了切实做到这一点,理论上需要将电源或者地管脚串联一个阻抗,这个阻抗必须足够大,最好比芯片电源地管脚的输出阻抗还大。但串联这样一个大的阻抗是不现实的,因为如果这样的话,将会在芯片内部产生更大的地弹噪声或者电源扰动,导致芯片不能够正常工作。因此正确的做法还应该是设法将噪声通过低阻抗的回路引到地平面上去。通常的做法是给芯片的电源管脚加旁路电容。下面简单的分析了电容的四种放置方式。 电子技术论文网
---如图7及图8(a)所示,为旁路电容的一种放置方式。将芯片的地管脚直接通过一个低阻抗的过孔D(一般过孔的寄生电感约为1~2nH)连接到地平面上,这样芯片地管脚上的地弹噪声将通过过孔流入到地平面上,抑制了地弹噪声对芯片的影响。芯片的电源管脚通过一小段传输线(通常约为50~80mil长,寄生电感约为1~1.6nH)连接到电容的电源盘垫上,电容的电源盘垫和地盘垫直接通过过孔连接到电源平面和地平面上,这样电源管脚到地平面之间也将有一条低阻抗的通路,有效的克服了电源管脚上的电源噪声对芯片的影响。同时旁路电容附近的电源层上的噪声也将通过过孔B、旁路电容、过孔C这样一条低阻抗通道流入到地平面上,这样的放置方式有效的抑制了噪声对芯片以及电源和其他系统的影响。
---如图8(b)所示,将过孔B放在电容电源管脚和芯片电源管脚之间,这样将增加通路A的环路电感,当电容和芯片不是位于同一层时,一般采用这种方式。
---如图8(c)所示,将电容电源管脚处的电源过孔B改打到接近芯片电源管脚A处,这种放置方式类似于上述第二种放置方式,将导致环路电感的增加,此方式应避免。 电子技术论文网
---如图8(d)所示去掉电容电源管脚和芯片电源管脚之间的传输线,而将芯片电源管脚直接通过一个过孔连接到地平面上,电容电源管脚和芯片电源管脚之间通过大的电源平面连接到一起,这样通路A包括:两个过孔、一个电源平面、一个电容,也同样增加了环路的电感,而且噪声将对电源平面带来不可预知的影响,另外还增加了过孔的数量,减少了板子上的布线面积。此方式也应尽量避免。
6 结束语
---当前数字系统板级频率越来越高,各种EMI问题也越来越严重。合理的选择和使用旁路电容是消除EMI、获得电源完整性的一个关键方面。而且,随着半导体技术的进一步发展,电容也在不同的更新换代以满足高速电路设计的要求。因此,旁路电容选择、旁路电容的摆放等问题需要不断的进行深入探讨。
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参考文献
1 Bill Slattery and John Wynne. Design and Layout of a Video Graphics System for Reduced EMI. AN-333 Application note,ANALOG DEVICES.
2 Howard Johnson. On Chip Bypassing with Series Terminations. EDN Magazine, April 29, 2004.
3 Howard Johnson and Martin Graham. High-Speed Digital Design, A Handbook of Black Magic.New Jersey: Pearson Education,Inc
4 The datasheet of AV9170, Integrated Circuit Systems.
5 Howard Johnson . Bypass Arrays . Http://www.signalintegrity.com 电子技术书籍网
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原文地址:http://www.epc.com.cn/magzine/20060105/3790.asp
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