从储能、阻抗两种不同视角解析电容去耦原理     DATE: 2019-05-14 00:00

对于电容器去耦,它被许多材料覆盖,但角度是不同的。一些是从本地电荷存储(即能量存储)的角度解释的,有些是从配电系统阻抗的角度来解释的,有些数据更令人困惑,一个会提供能量存储,一个会提高阻抗。许多人在看材料时感到有些困惑。事实上,这两个配方基本相同,但对问题的看法是不同的。为了让每个人都清楚地了解,本文分别介绍了这两种解释。

1.从储能的角度解释电容器去耦的原理。

在制作电路板时,通常在负载芯片周围放置许多电容器,这些电容器用作电源去耦。

原理如图1所示。

从储能、阻抗两种不同视角解析电容去耦原理

图1去耦电路

当负载电流恒定时,其电流由稳压电源部分提供,即图中的I0,方向如图所示。此时,电容器两端的电压与负载两端的电压相同,电流Ic为0.电容器两端存储相当大量的电荷,电荷量与电容有关。当负载瞬态电流变化时,由于负载芯片的内部晶体管电平转换速度非常快,因此必须在很短的时间内向负载芯片提供足够的电流。但是,稳压电源不能很快响应负载电流的变化。因此,电流I0不能立即满足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压降低。然而,由于电容器电压与负载电压相同,因此电容器两端存在电压变化。对于电容器,电压变化不可避免地产生电流。此时,电容器放电到负载,电流Ic不再为零,为负载芯片提供电流。根据电容方程:

(公式1)

只要电容C足够大,就只需要很小的电压变化,并且电容器可以提供足够大的电流以满足负载瞬态电流要求。这确保了负载芯片电压变化在允许范围内。这里,电容器预先存储有在需要负载时释放的一部分电能,即电容器是能量存储部件。存储电容器的存在允许快速补充负载所消耗的能量,从而确保负载两端的电压不会发生太大变化。这时,电容器负责本地电源的作用。

从能量存储的角度理解电源去耦是非常直观和易于理解的,但它对电路设计没有帮助。从阻抗的角度理解电容器去耦允许我们在设计电路时遵循规则。实际上,在确定配电系统的去耦容量时,使用阻抗的概念。

2.从阻抗的角度理解去耦原理。

从图1中移除负载芯片,如图2所示。从AB的两个点回顾,稳压电源和电容器去耦系统可视为复合电源系统。该电力系统的特征在于AB的两个点之间的电压保持稳定,而不管AB的两个点之间的负载瞬态电流的变化,即AB的两个点之间的电压变化是小的。

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图2电源部分

我们可以使用等效功率模型来表示上面的复合电源系统,如图3所示

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图3等效电源

对于此电路,您可以编写以下等式:

(公式2)

我们的最终设计目标是在AB的两个点之间保持小的电压变化,而不管两点之间的负载瞬态电流的变化。根据等式2,该要求相当于电源系统的阻抗Z足够低。在图2中,我们通过去耦电容实现了这一要求。因此,从等效的观点来看,可以说去耦电容器降低了电力系统的阻抗。另一方面,从电路理论的角度来看,可以得出相同的结论。电容器对交流信号表现出低阻抗特性,因此增加电容器实际上会降低电力系统的交流阻抗。

从阻抗的角度理解电容器去耦可以为我们设计配电系统提供极大的便利。实际上,配电系统设计的最基本原则是最小化阻抗。最有效的设计方法是在这个原则的指导下产生的。

正确使用电容器进行电源去耦需要了解实际电容器的频率特性。在实践中不存在理想的电容器,这就是为什么经常听到“电容器不仅仅是电容器”的原因。

实际电容器中总有一些寄生参数。这些寄生参数在低频时并不明显,但在高频时,它们的重要性可能会超过电容本身。图4显示了实际电容的SPICE模型。在图中,ESR表示等效串联电阻,ESL表示等效串联电感或寄生电感,C是理想电容。

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图4电容器模型

等效串联电感(寄生电感)不能消除,只要引线存在,就会产生寄生电感。从磁场能量的变化的观点来看,这可以容易地理解。当电流改变时,磁场能量改变,但能量跳跃是不可能的,并且表现出电感特性。寄生电感将延迟电容器电流的变化。电感越大,电容器的充放电阻抗越大,反应时间越长。等效串联电阻也没有消除,并且它很简单,因为制造电容器的材料不是超导体。

在讨论实际电容特性之前,我们首先介绍谐振的概念。对于图4的电容模型,复阻抗为:

(公式3)

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此时,电容阻抗矢量和电感阻抗之间的差值为0,电容器的总阻抗最小,表示为纯电阻特性。该频率点是电容器的自谐振频率。自谐振频率点是区分电容是电容性还是电感性的分界点。当谐振频率高于谐振频率时,“电容不再是电容器”,因此去耦效果会降低。因此,实际电容器具有一定的工作频率范围,并且电容器仅在其工作频率范围内具有良好的去耦功能。使用电容器进行电源去耦时要特别注意这一点。寄生电感(等效串联电感)是电容器在高于自谐振频率点之后的去耦功能的根本原因。图5显示了实际的0805封装0。1uF陶瓷电容器的曲线图,其阻抗是频率的函数。

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图5电容阻抗特性

电容器的自谐振频率值与其电容值和等效串联电感值有关。使用时,请查看设备手册以了解参数并确定电容器的有效频率范围。下面列出了AVX生产的陶瓷电容器的各种参数值。

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电容器的等效串联电感与生产工艺和封装尺寸有关。同一封装尺寸的电容器具有相同的等效串联电感。通常,小封装的电容器具有较低的等效串联电感,而宽封装的电容器具有比窄封装的电容器更低的等效串联电感。

由于电容器可视为RLC串联电路,因此还有一个品质因数Q值,这是使用电容器时的一个重要参数。

当电路谐振时,容抗等于感抗,因此电容和电感两端的电压有效值必须相等。电容器上的电压有效值为UC=I * 1 /&ω; C=U /&欧米加; CR=QU,品质因数Q=1 /&ω; CR,其中I是电路的总电流。电感器上的电压的有效值UL=&ω; LI=&ω; L * U/R=QU,品质因数Q=&ω; L/R.因为:UC=UL所以Q=1 /ω CR=ω L/R.电容器两端的电压与施加的信号电压的比率U UC/U=(I * 1 /<ω)/RI=1 /ω; CR=Q.电感器两端的电压与施加的信号电压的比率U UL/U=ω; LI/RI=&ω; L/R=Q.根据以上分析,电路的品质因数越高,电感器或电容器上的电压就越高于施加的电压。

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图6 Q值的影响

Q值影响电路的频率选择性。当电路处于谐振频率时,存在最大电流,并且当总电流偏离谐振频率时总电流减小。我们使用I/I0来表示通过电容器的电流与谐振电流之比,相对变化率。表示频率偏离共振频率。图6显示了I/I0与关系曲线。有三条曲线,对应于三个不同的Q值,其中Q1“Q2”Q3。从图中可以看出,当施加的信号频率&ω;时,I/I0小于1;偏离电路的谐振频率&0; 0。 Q值越高,电流在特定频率偏移下下降得越快,谐振曲线越尖锐。也就是说,电路的选择性由电路的品质因数Q决定。 Q值越高,选择性越好。

一些大电容器放置在电路板上,通常是棕褐色或电解电容器。这些电容具有非常低的ESL,但ESR非常高,因此Q值非常低并且具有宽的有效频率范围,使其成为板级电源滤波的理想选择。

当电容器安装在电路板上时,会引入额外的寄生参数,导致谐振频率发生偏移。充分理解电容器的自谐振频率并安装谐振频率非常重要。在计算系统参数时,安装谐振频率的实际使用而不是自谐振频率,因为我们关注电容器安装在电路板上后的性能。

电容器在电路板上的安装通常包括从焊盘引出的小长度的引线,两个或更多个通孔。我们知道引线和过孔都存在寄生电感。寄生电感是我们关注的重要参数,因为它对电容器的特性影响最大。安装电容器后,它可以有效地与周围的小区域分离。这涉及到解耦半径的问题,这将在本文后面详细介绍。现在让我们来看一下电容器与距离它2厘米处的点去耦的情况,以及寄生电感的哪一部分。首先,电容器本身具有寄生电感。从电容器到需要去耦区域的路径,焊盘,小引线,通孔,2cm长的电源和接地平面都具有寄生电感。相比之下,通孔的寄生电感很大。您可以使用公式来估算通孔的寄生电感的大小。公式是

其中:L是通孔的寄生电感,单位为nH。 h是通孔的长度,与板的厚度有关,以英寸为单位。 d是通孔的直径,单位为英寸。让我们计算一个共同通孔的寄生电感,看它有多大,以便有感知知识。通孔的长度为63密耳(对应板的厚度为1。6毫米,这个厚度的板很常见),通孔直径为8密耳,根据上面的公式:

该寄生电感大于许多小型封装电容器的寄生电感,必须考虑其影响。通孔直径越大,寄生电感越小。通孔长度越长,电感越大。下面以0805封装0.01uF电容为例,计算安装前后谐振频率的变化。参数如下:电容:C=0.01uF。电容器自身的等效串联电感:ESL=0.6 nH。安装后寄生电感增加:Lmount=1.5nH。

电容器的自谐振频率:

安装后的总寄生电感:0。6 + 1。5=2。1nH。注意,实际安装电容器需要至少两个过孔,并且寄生电感是串联的。如果仅使用两个过孔,则过孔引入的寄生电感为3nH。然而,通过在电容器的每一端连接多个通孔,可以有效地减小总寄生电感,这与安装方法有关。

安装后的共振频率为:

可以看出,安装后电容器的谐振频率大大抵消,从而减小了小电容器的高频去耦特性。在设计电路参数时,应计算安装后的谐振频率,因为这是电路板上电容器的实际性能。

电感器的安装对电容器的去耦特性有很大影响,应该最小化。实际上,如何在安装后最小化寄生电感是一个非常重要的问题。

从电力系统的角度解耦设计

首先插入一个题外话,很多人在查看数据时都会有这样的混乱,有些数据表示要为每个电源引脚添加去耦电容,而根据每个电源引脚不添加其他信息电容器的设计是说多少电容器是放置在芯片周围,如何放置它,如何打它,等等。那么哪种陈述和做法是正确的?当我第一次接触电路设计时,我很困惑。实际上,这两种方法都是正确的,但处理问题的角度是不同的。阅读本文后,您将完全理解。

前一节讨论了去耦引脚的方法。本节讨论另一种方法,从电力系统的角度解耦。该方法基于在感兴趣的频率范围内最小化整个配电系统的阻抗的原理。该方法仍然使用去耦电容器。

电源去耦涉及许多问题:满足要求的总电容有多大?如何确定这个值?选择哪个电容值?你放了多少个电容?选择哪种材料?电容器如何安装在电路板上?电容放置有哪些要求?以下是单独介绍的。

着名的Target Impedance

目标阻抗定义为:

(公式4)

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该定义可以解释为电力系统自身阻抗的最大值,它满足负载的最大瞬态电流供应,电压变化不超过最大允许波动范围。超过此阻抗值,电源波动将超过允许范围。如果您不清楚阻抗和电压波动之间的关系,请查看“电容器去耦的两个解释”部分。

有两点可以解释目标阻抗:

目标阻抗是电力系统的瞬态阻抗,是快速变化的电流所表现出的阻抗特性。

2。目标阻抗与某一宽度的频带有关。在整个感兴趣的频率范围内,源阻抗不得超过该值。阻抗是电阻,电感和电容组合的结果,因此必然与频率有关。感兴趣的整个频率范围是多少?这与负载对瞬态电流的要求有关。顾名思义,瞬态电流是指电源必须在很短的时间内供电的电流。如果该电流被视为信号,则它相当于具有宽频谱的阶跃信号,这是我们感兴趣的频率范围。

如果你暂时不理解上述两点,那没关系。阅读完本文的其余部分后,您将理解。

需要多少电容

有两种方法可以确定所需的电容。第一种方法使用功率驱动负载来计算电容。这种方法没有考虑ESL和ESR的影响,因此不准确,但有助于理解电容的选择。第二种方法是使用目标阻抗(Target Impedance)来计算总电容,这是业界常用的方法并且已得到广泛验证。您可以先使用此方法进行计算,然后进行局部微调,从而获得良好的效果。如何执行本地微调是一个更高级的主题。这两种方法如下所述。

方法1:使用功率驱动负载计算电容

将负载(容性)设置为30pF,并在2ns内从0V驱动至3.3V。瞬态电流是:

(公式5)

广西11选5走势图 如果需要驱动总共36个这样的负载,则瞬态电流为:36 * 49.5mA=1.782A。假设允许的电压波动为:3.3 * 2.5%=82.5 mV,所需电容为:

C=I * DT/DV=1。782A * 2ns的/0。0825V=43。2nF

广西11选5走势图 注意:所用的电容实际上用作储能元件,以抑制电压纹波。电容必须在2ns内为负载提供1。782A,电压降不应超过82。5 mV。因此,应根据82。5 mV计算电容。请记住:电容放电为负载提供电流,其自身电压下降,但电压降不能超过82。5mV(允许电压纹波)。这种计算没有实际意义。我把它放在这里的原因是让每个人都更多地了解解耦原理。

方法2:使用目标阻抗计算电容(设计理念非常严格,必须彻底穿透)

为了清楚地解释电容的计算方法,我们使用一个例子。待去耦电源为1.2V,允许电压波动为2.5%,最大瞬态电流为600mA,

第1步:计算目标阻抗

步骤2:确定稳压电源的频率响应范围。

它与特定的电源芯片有关,通常在DC和几百kHz之间。这设置为DC至100kHz。低于100 kHz时,功率芯片对瞬态电流反应良好。高于100 kHz,具有高阻抗。如果没有外部电容,电源将波动超过2。5%。为了满足100kHz以上低于2。5%的电压波动,我应该添加多少电容?

第3步:计算批量容量

当频率低于电容器的自谐振点时,电容器的阻抗可以近似为:频率f越高,阻抗越小,频率越低,阻抗越大。在感兴趣的频率范围内,电容器的最大阻抗不能超过目标阻抗,因此使用100 kHz(电容器作用的频率范围的最低频率,对应于电容器的最高阻抗)。

广西11选5走势图 步骤4:计算大容量电容器的最有效频率

当频率高于电容器的自谐振点时,电容器的阻抗可以近似为:频率f越高,阻抗越大,但阻抗不能超过目标阻抗。假设ESL为5nH,最重要的频率是:这样一个大电容器允许我们控制低于目标阻抗100 kHz至1。6 MHz的源阻抗。当频率高于1。6MHz时,需要额外的电容来控制电源系统阻抗。

步骤5:当频率高于1.6MHz时计算所需的电容

如果您希望电源系统满足500MHz以下的电压波动要求,则必须控制电容器的寄生电感。必须得到满足

所以有:

假设使用AVX的0402封装陶瓷电容,寄生电感约为0。4nH,安装在电路板上后的寄生电感(本文稍后计算)假设为0。6nH,总寄生电感为1 nH。 。为了满足总电感不大于0。16 nH的要求,我们需要并联电容器的数量:1/0。016=62。5,因此需要63 0402电容器。

为了在1。6 MHz下实现比目标阻抗更低的阻抗,所需的电容为:

因此,每个电容器的电容为1。9894/63=0。0316 uF。

总之,对于这个系统,我们可以选择一个31。831 uF的大电容和63个0。0316 uF的小电容。

并联连接相同的电容电容

广西11选5走势图 并联使用多个电容器可有效降低阻抗。 63个0.0316 uF的小电容(每个电容的ESL为1 nH)与具有0.159 nH ESL的1.9908 uF电容具有相同的效果。

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图10并联多个等效电容

单个电容器和并联电容器的阻抗特性如图10所示。并联后仍然存在相同的谐振频率,但并联电容器在每个频率点的阻抗小于单个电容器。

但是,从图中我们可以看出,阻抗曲线是V形的,当频率偏离谐振点时,其阻抗仍然快速上升。为了在宽频率范围内满足目标阻抗要求,需要并联连接大量等效电容器。这不是一个好方法,造成很大的浪费。有些人喜欢在电路板上放置大量0。1uF电容。如果您设计的电路具有高频率和快速信号变化,那么请不要这样做。最好使用不同值的组合来形成相对平坦的阻抗曲线。

不同电容电容的并联和反谐振(AnTI-Resonance)

具有不同电容的电容器具有不同的谐振点。图11绘制了两个电容器阻抗与频率的关系。

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图11两个不同电容器的阻抗曲线

在左谐振点之前,两个电容都是电容性的,在右谐振点之后,两个电容都是电感性的。在两个共振点之间,阻抗曲线相交。在交叉点处,由左曲线表示的电容是电感性的,而由右曲线表示的电容是电容性的,这相当于LC并联电路。对于LC并联电路,当L和C上的电抗相等时发生并联谐振。因此,在两条曲线的交点处发生并联谐振,这是反共振效应,即反共振点。

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图12并联不同电容电容后的阻抗曲线

两个电容值不同的电容并联后,阻抗曲线如图12所示。从图12中可以得出两个结论:

不同电容的电容并联连接,阻抗特性曲线的底部比图10的阻抗曲线的底部平坦得多(虽然存在反谐振点,但存在阻抗尖峰),所以它可以在很宽的频率范围内更有效。降低阻抗。

b在反共振(AnTI-Resonance)点,并联电容器的阻抗无限高于单独作用的两个电容器中的任何一个的阻抗。并联谐振或反谐振是使用并联去耦方法的缺点。在并联电容去耦电路中,尽管大多数噪声或频率值的信号可以在电力系统中找到低阻抗返回路径,但对于频率值接近反谐振点的那些,由于表现出高阻抗通过电力系统,这部分噪声或信号能量在配电系统中找不到返回路径,并最终将从PCB发出(空气也是介质,波阻抗只有几百欧姆) ,在反谐振频率点产生严重的EMI。问题。

因此,并联电容器去耦的配电系统中的一个重要问题是适当地选择电容器并尽可能地降低反谐振点处的阻抗。

ESR对抗共振(AnTI-Resonance)的影响AnTI-Resonance给电源去耦带来了麻烦,但幸运的是,实际情况并没有图12所示那么糟糕。

除LC外,实际电容还具有等效串联电阻ESR。

因此,反共振点处的阻抗将不是无限的。实际上,反谐振点处的阻抗可以通过计算来计算,其中X是反谐振点处的各个电容器的阻抗的虚部(全部相等)。