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技术分析:开关IC控制器的去耦旁路设计

旁路和去耦是指防止有用能量从一个电路传到另一个电路中,并改变噪声能量的传输路径,从而提高电源分配网络的品质。它有三个基本概念:电源、地平面,元件和内层的电源连接。

去耦是当器件进行高速开关时,把射频能量从高频器件的电源端泄放到电源分配网络。去耦电容也为器件和元件提供一个局部的直流源,这对减小电流在板上传播浪涌尖峰很有作用。

在数字电路及IC控制器电路中,必须要进行电源去耦。当元件开关消耗直流能量时,没有去耦电容的电源分配网络中将发生一个瞬时尖峰。这是因为电源供电网络中存在着一定的电感,而去耦电容能提供一个局部的没有电感的或者说很小电感的电源。通过去耦电容,把电压保持在一个恒定的参考点,阻止了错误的逻辑转换,同时还能减小噪声的产生,因为它能提供给高速开关电流一个最小的回路面积来代替元件和远端电源间的大的回流面积,如下图所示。

从图示中可以看到,PCB中的去耦电容可大大减小电流环路面积。去耦电容的另一个作用是提供局部的能量储存源,可以减小电源供电的辐射路径。电路中的RF能量的产生和I·A·f成正比的,这里I是回流的电流;A是回路的面积;f是电流的频率。由于电流和频率在选择器件时已确定,要想减小辐射,那么减小电流的回路面积变得非常重要。在有去耦电容的电路中,电流在小的RF电流回路中流动,从而减小RF能量。可以通过放置去耦电容可以得到小的回路面积。

   如上图所示,ΔU是L·di/dt在地线上产生的噪声,它在去耦电容中流动。这个ΔU驱动着板上的地结构和分配系统中的共模电压流向整个电路板。因此减小ΔU与地阻抗有关,也与去耦电容的用法及位置有关。

   去耦也是克服物理的和时序的约束的一种方法,它是通过在信号线和电源线及平面间提供一个低阻抗的电源来实现的。在频率升高到自谐振点之前,随着频率的升高,去耦电容的阻抗会越来越低,这样高频噪声会有效的从信号线上泄放,这时剩下的低频辐射能量就没有什么影响了。根据去耦电容的原理,如果增加从电源线吸收能量的难度,就会使大部分能量从去耦电容中获得,充分发挥去耦电容的作用,同时电源线上也将产生更小的di/dt噪声。根据这样的方法,可以人为增加电源线上的阻抗。

在IC电源供电线上串联铁氧体磁珠是一种常用的方法,由于铁氧体磁珠对高频电流呈现较大的阻抗,因此增强了电源去耦电容的效果。

旁路是把不必要的共模RF能量从元件或线缆中泄放掉。它的实质是产生一个交流支路来把不希望的能量从易受影响的区域泄放掉。另外,它还提供滤波功能。其滤波的能力显然还是其自身的带宽的限制。有时把旁路也统称为滤波的设计。旁路或滤波通常应用在电源与地之间、信号与地之间或者不同的地之间,它与去耦有所不同。但是对于电容的使用方法来说是一样的,因此通常描述有关电容的特性都适用于去耦和旁路。

储能是当所用的信号引脚在最大容量负载下同时开关时,用来保持提供给器件的恒定的直流电压和电流。它还能阻止由于器件的di/dt电流浪涌而引起的电源跌落。如果说去耦是高频的范畴,那么储能可以理解为低频的范畴。

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