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直流电源完整性设计详解(二)

直流电源完整性设计详解

1直流电源噪声产生及余量分析

2电容退耦的两种解释

3电容特性及谐振频率

4局部去耦设计方法

5从直流电源角度进行去耦设计

电容退耦的两种解释

采用电容退耦是解决直流电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度,降低直流电源分配系统的阻抗都非常有效。

对于电容退耦,很多资料中都有涉及,但是阐述的角度不同。有些是从局部电荷存储(即储能)的角度来说明,有些是从直流电源分配系统的阻抗的角度来说明,还有些资料的说明更为混乱,一会提储能,一会提阻抗,因此很多人在看资料的时候感到有些迷惑。其实,这两种提法,本质上是相同的,只不过看待问题的视角不同而已。为了让大家有个清楚的认识,本文分别介绍一下这两种解释。

1.从储能的角度来说明电容退耦原理

在制作直流电源电路设计板时,通常会在负载芯片周围放置很多电容,这些电容就起到直流电源退耦作用。其原理可用图   1 说明。

直流电源中电容中的作用

当负载电流不变时,其电流由稳压直流电源部分提供,即图中的I0,方向如图所示。此时电容两端电压与负载两端电压一致,电流Ic为0,电容两端存储相当数量的电荷,其电荷数量和电容量有关。当负载瞬态电流发生变化时,由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快,必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压直流电源无法很快响应负载电流的变化,因此,电流I0不会马上满足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同,因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必然产生电流,此时电容对负载放电,电流Ic不再为0,为负载芯片提供电流。根据电容等式:

直流电源电容等式

只要电容量C足够大,只需很小的电压变化,电容就可以提供足够大的电流,满足负载瞬态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里,相当于电容预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,即电容是储能元件。储能电容的存在使负载消耗的能量得到快速补充,因此保证了负载两端电压不至于有太大变化,此时电容担负的是局部直流电源的角色。

从储能的角度来理解直流电源退耦,非常直观易懂,但是对直流电源电路设计设计帮助不大。从阻抗的角度理解电容退耦,能让我们设计直流电源电路设计时有章可循。实际上,在决定直流电源分配系统的去耦电容量的时候,用的就是阻抗的概念。

2.从阻抗的角度来理解退耦原理

将图1中的负载芯片拿掉,如图2所示。从AB两点向左看过去,稳压直流电源以及电容退耦系统一起,可以看成一个复合的直流电源系统。这个直流电源系统的特点是:不论AB两点间负载瞬态电流如何变化,都能保证AB两点间的电压保持稳定,即AB两点间电压变化很小。

等效直流电源模型表示上面这个复合的直流电源系统

我们可以用一个等效直流电源模型表示上面这个复合的直流电源系统,如图3

复合的直流电源系统

对于这个

直流电源电路设计等式

我们的最终设计目标是,不论AB两点间负载瞬态电流如何变化,都要保持AB两点间电压变化范围很小,根据公式2,这个要求等效于直流电源系统的阻抗Z要足够低。在图2中,我们是通过去耦电容来达到这一要求的,因此从等效的角度出发,可以说去耦电容降低了直流电源系统的阻抗。另一方面,从直流电源电路设计原理的角度来说,可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性,因此加入电容,实际上也确实降低了直流电源系统的交流阻抗。

从阻抗的角度理解电容退耦,可以给我们设计直流电源分配系统带来极大的方便。实际上,直流电源分配系统设计的最根本的原则就是使阻抗最小。最有效的设计方法就是在这个原则指导下产生的。

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