數(shù)字系統(tǒng)的電源去耦設(shè)計(jì)

工程師們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)PCB電源分配系統(tǒng)的時(shí)候，首先把整個(gè)設(shè)計(jì)分成四個(gè)部分：電源(電池、轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)一個(gè)去耦電容包括兩步。首先，整流器根據(jù)電氣計(jì)算電容值，然后將電容放置在PCB上。確切地講，電容放在離數(shù)字芯片多遠(yuǎn)的地方合適？但人們常常忽略了PCB本身就是去耦設(shè)計(jì)的一部分。本文將討論在哪里電路板適合去耦設(shè)計(jì)。

去耦需求

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

走線需要著重考慮，因?yàn)樗鼪Q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管腳之間的走線長(zhǎng)度最小，從而減少環(huán)路面積。這能盡量減少由導(dǎo)線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(shù)字芯片U1連接到電源上意味著可能需要幾英寸的走線。可以將具有寄生電感L2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(dǎo)線電感。L1 和 R1是從電源到電容之間導(dǎo)線的寄生參數(shù)。

這樣，可將走線長(zhǎng)度減小到mil量級(jí)，將導(dǎo)線阻抗減小到可以應(yīng)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(nèi)部負(fù)載和U1必須驅(qū)動(dòng)的外部負(fù)載。當(dāng)S1關(guān)閉時(shí)，這些負(fù)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(duì)于10mil寬度的走線，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(微帶線和帶狀線)和導(dǎo)線的典型數(shù)據(jù)。當(dāng)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(dǎo)向電感。這將保護(hù)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(yīng)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(yùn)行。(這有點(diǎn)難以計(jì)算，因?yàn)閷?shí)際值依賴于半導(dǎo)體的噪聲裕量，近似和電源電壓成正比。)根據(jù)圖1，正確的工作運(yùn)行意味需要滿足下面條件：

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(shù)字輸入所需要的電流，設(shè)計(jì)工程師必須確保它的供應(yīng)。因?yàn)樗撬璧淖畲箅娏鳎琁max，因此電源和開(kāi)關(guān)之間的最大阻抗Zmax不會(huì)大于：