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直流电源完整性设计详解(一)

今天将给朋友们解说的是关于直流电源完好性规划方面的各类疑问。因其内容较多,在此将直流电源完好性内容分为五个板块来进行解说。这篇文章是于博士于2009年自创的一篇文章,已被广泛转发。为了让更多的读者受益。

直流电源完好性规划

1直流电源噪声发生及余量剖析

2电容退耦的两种解说

3电容特性及谐振频率

4有些去耦规划办法

5从直流电源角度进行去耦规划


今天将为咱们解说的是:


直流电源噪声发生及余量剖析

1、为何要注重直流电源噪声疑问?

芯片内部有不计其数个晶体管,这些晶体管构成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计数器、延迟线、状况机、以及别的逻辑功能。跟着芯片的集成度越来越高,内部晶体管数量越来越大。芯片的外部引脚数量有限,为每一个晶体管供给独自的供电引脚是不现实的。芯片的外部直流电源引脚供给给内部晶体管一个公共的供电节点,因而内部晶体管状况的变换必定导致直流电源噪声在芯片内部内部的传递。

直流电源完整性设计详解(一)

对内部各个晶体管的操作一般由内核时钟或片内外设时钟同步,可是因为内部延时的不一样,各个晶体管的状况变换不也许是严格同步的,当某些晶体管现已完成了状况变换,另一些晶体管也许仍处于变换过程中。芯片内部处于高电平的门电路会把直流电源噪声传递到别的门电路的输入有些。假如承受直流电源噪声的门电路此刻处于电平变换的不定态区域,那么直流电源噪声也许会被扩大,并在门电路的输出端发生矩形脉冲搅扰,进而导致电路的逻辑过错。芯片外部直流电源引脚处的噪声经过内部门电路的传达,还也许会触发内部寄存器发生状况变换。

除了对芯片自身作业状况发生影响外,直流电源噪声还会对别的有些发生影响。比方直流电源噪声会影响晶振、PLL、DLL的颤动特性,AD变换电路的变换精度等。解说这些疑问需求十分长的篇幅,这篇文章不做进一步介绍,有爱好的能够重视于博士信号完好性网站,我会在后续文章中详细解说。

因为最终商品作业温度的改变以及出产过程中发生的不共同性,假如是因为直流电源体系发生的疑问,电路将十分难调试,因而最好在电路规划之初就遵从某种老练的规划规矩,使直流电源体系愈加稳健。


2、直流电源体系噪声余量剖析

绝大大都芯片都会给出一个正常作业的电压规模,这个值一般是±5%。例如:关于3.3V电压,为满意芯片正常作业,供电电压在3.13V到3.47V之间,或3.3V±165mV。关于1.2V电压,为满意芯片正常作业,供电电压在1.14V到1.26V之间,或1.2V±60mV。这些约束能够在芯片datasheet中的recommended operating conditions有些查到。这些约束要思考两个有些,榜首是稳压芯片的直流输出差错,第二是直流电源噪声的峰值起伏。旧式的稳压芯片的输出电压精度一般是±2.5%,因而直流电源噪声的峰值起伏不该超过±2.5%。当然跟着芯片技术的进步,现代的稳压芯片直流精度更高,也许会到达±1%以下,TI公司的开关直流电源芯片TPS54310精度可达±1%,线性稳压源AMS1117可达±0.2%。可是要记住,到达这么的精度是有条件的,包含负载状况,作业温度等约束。因而可靠的规划仍是以±2.5%这个值更掌握些。假如你能保证所用的芯片安装到电路板上后能到达更高的稳压精度,那么你能够为你的这款规划独自进行噪声余量核算。这篇文章侧重直流电源有些规划的原理阐明,直流电源噪声余量将运用±2.5%这个值。直流电源噪声余量核算十分简单,办法如下:

比方芯片正常作业电压规模为3。13V到3。47V之间,稳压芯片标称输出3。3V。安装到电路板上后,稳压芯片输出3。36V。那么容许电压改变规模为3。47-3。36=0。11V=110mV。稳压芯片输出精度±1%,即±3。363*1%=±33。6 mV。直流电源噪声余量为110-33。6=76。4 mV。

核算很简单,可是要留意四个疑问:

榜首,稳压芯片输出电压能精确的定在3。3V么?外围器材如电阻电容电感的参数也不是精确的,这对稳压芯片的输出电压有影响,所以这儿用了3。36V这个值。在安装到电路板上之前,你不也许预测到精确的输出电压值。

第二,作业环境是不是契合稳压芯片手册上的引荐环境?器材老化后参数还会和芯片手册上的共同么?

第三,负载状况如何?这对稳压芯片的输出电压也有影响。

第四,直流电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声来历不仅仅是直流电源噪声,反射串扰等信号完好性疑问也会在信号上叠加噪声,不能把一切噪声余量都分配给直流电源体系。所以,在规划直流电源噪声余量的时分要留有余地。

另一个重要疑问是:不一样电压等级,对直流电源噪声余量请求不一样,按±2.5%核算的话,1.2V电压等级的噪声余量只要30mV。这是一个很严苛的约束,规划的时分要谨慎些。模仿电路对直流电源的请求更高。直流电源噪声影响时钟体系,也许会导致时序匹配疑问。因而有必要注重直流电源噪声疑问。


3、直流电源噪声是如何发生的?

直流电源体系的噪声来历有三个方面:


榜首,稳压直流电源芯片自身的输出并不是恒定的,会有必定的波纹。这是由稳压芯片自身决定的,一旦选好了稳压直流电源芯片,对这有些噪声咱们只能承受,无法控制。

第二,稳压直流电源无法实时呼应负载关于电流需求的迅速改变。稳压直流电源芯片经过感知其输出电压的改变,调整其输出电流,从而把输出电压调整回额外输出值。大都常用的稳压源调整电压的时刻在毫秒到微秒量级。因而,关于负载电流改变频率在直流到几百KHz之间时,稳压源能够极好的做出调整,保持输出电压的安稳。当负载瞬态电流改变频率超出这一规模时,稳压源的电压输出会呈现下跌,从而发生直流电源噪声。如今,微处理器的内核及外设的时钟频率现已超过了600兆赫兹,内部晶体管电平变换时刻下降到800皮秒以下。这请求直流电源分配体系有必要在直流到1GHz规模内都能迅速呼应负载电流的改变,但现有稳压直流电源芯片不也许满意这一严苛请求。咱们只能用别的办法抵偿稳压源这一缺乏,这涉及到后边要讲的直流电源去耦。

第三,负载瞬态电流在直流电源途径阻抗和地途径阻抗上发生的压降。PCB板上任何电气途径不可避免的会存在阻抗,不论是完好的直流电源平面仍是直流电源引线。关于多层板,一般供给一个完好的直流电源平面和地平面,稳压直流电源输出首先接入直流电源平面,供电电流流经直流电源平面,到达负载直流电源引脚。地途径和直流电源途径相似,只不过电流途径变成了地平面。完好平面的阻抗很低,但的确存在。假如不运用平面而运用引线,那么途径上的阻抗会更高。别的,引脚及焊盘自身也会有寄生电感存在,瞬态电流流经此途径必定发生压降,因而负载芯片直流电源引脚处的电压会跟着瞬态电流的改变而动摇,这就是阻抗发生的直流电源噪声。在直流电源途径表现为负载芯片直流电源引脚处的电压轨迹陷落,在地途径表现为负载芯片地引脚处的电位和参阅地电位不一样(留意,这和地弹不一样,地弹是指芯片内部参阅地电位相关于板级参阅地电位的跳变)。

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