數字系統的電源去耦設計

工程師們在設計PCB電源分配系統的時(shí)候，首先把整個(gè)設計分成四個(gè)部分：電源(電池、轉換器或者整流器)、PCB、電路板去耦電容和芯片去耦電容。本文將主要關(guān)注PCB和芯片去耦電容。電路板去耦電容通常很大，大約是10mF或者更大，而且主要用于特定場(chǎng)合中。

設計一個(gè)去耦電容包括兩步。首先，整流器根據電氣計算電容值，然后將電容放置在PCB上。確切地講，電容放在離數字芯片多遠的地方合適？但人們常常忽略了PCB本身就是去耦設計的一部分。本文將討論在哪里電路板適合去耦設計。

去耦需求

基本上，電源通過(guò)一根導線(xiàn)向數字芯片提供能量。這個(gè)電源有可能離芯片比較“遠”。電源線(xiàn)為5 英寸長(cháng)的16 AWG的電線(xiàn)和4英寸長(cháng)的20mil的走線(xiàn)并不少見(jiàn)。這些導線(xiàn)具有電阻、電容和感應，這些都影響能量的傳送。電感和導線(xiàn)的長(cháng)度成正比，是產(chǎn)生大多數質(zhì)量問(wèn)題的原因。

走線(xiàn)需要著(zhù)重考慮，因為它決定了總的電感和電流流動(dòng)的環(huán)路環(huán)路。這個(gè)環(huán)路環(huán)路能夠而且很可能會(huì )輻射電磁干擾(EMI)。

在芯片的旁邊放置一個(gè)小電源(比如電容)，能讓電容到芯片Vcc管腳之間的走線(xiàn)長(cháng)度最小，從而減少環(huán)路面積。這能盡量減少由導線(xiàn)電感引起的電壓降問(wèn)題。由于回路環(huán)路減小了，所以EMI也減小了。

直接把數字芯片U1連接到電源上意味著(zhù)可能需要幾英寸的走線(xiàn)?？梢詫⒕哂屑纳姼蠰2和R2的電容C1插入到電路中離芯片比較近的地方，距離小于1英寸(圖1)。L3是C1 和 U1之間的導線(xiàn)電感。L1 和 R1是從電源到電容之間導線(xiàn)的寄生參數。

這樣，可將走線(xiàn)長(cháng)度減小到mil量級，將導線(xiàn)阻抗減小到可以應用的程度。C2在這里非常重要，它決定電源必須供給多少電流。C2代表了U1的內部負載和U1必須驅動(dòng)的外部負載。當S1關(guān)閉時(shí)，這些負載連接到電源，并馬上需要電流。

電感是電源和開(kāi)關(guān)之間阻抗的主要來(lái)源。例如，對于10mil寬度的走線(xiàn)，電阻、電容和電感分別大約是0.02Ω/in，2 pF/in和20nH/in。這些是用于PCB板的走線(xiàn)(微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn))和導線(xiàn)的典型數據。當頻率大約高于100 kHz時(shí)，感抗jΩl是主要阻抗。

因此，增加C1具有兩個(gè)作用。一是它將減少開(kāi)關(guān)期間，電源和芯片之間的導向電感。這將保護V1(也就是到U1上的Vcc) 不會(huì )減小到低于進(jìn)行正確電路操作的所需電壓值。另外，它可減小高頻電流流動(dòng)的環(huán)路面積以及相應的EMI。

因此，電容將V1保持住，但需要將V1保持多高呢？這個(gè)問(wèn)題主要集中在器件的噪聲裕量，例如最小的電壓噪聲裕量VNmmin，這個(gè)噪聲裕量可以存在，并仍允許正確的電路運行。(這有點(diǎn)難以計算，因為實(shí)際值依賴(lài)于半導體的噪聲裕量，近似和電源電壓成正比。)根據圖1，正確的工作運行意味需要滿(mǎn)足下面條件：

VNmmin ≥ VPS ?D VZmax (1)

在該圖中，VZmax完全落在L3上。

電流I也需要考慮。簡(jiǎn)單講，這是數字輸入所需要的電流，設計工程師必須確保它的供應。因為它是所需的最大電流，Imax，因此電源和開(kāi)關(guān)之間的最大阻抗Zmax不會(huì )大于：