shusu

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换了一个电容,噪声天壤之别!

2020-2-20 10:38:25 显示全部楼层
电容能随意替换吗?

既然今天笔者拿这个说事儿,当然是不能随意替换!

两个图的3V电源的开关噪声天壤之别,就是由于换了一个电容!更具体的说,由于2款电容的ESR差异引起。下面我们逐步展开。
几乎看不到噪声的这个图,是采用Rohm的TCOB0J227M8R导电高分子超低ESR(35毫欧@100kHz)钽电容系列;400mV噪声这个图采用Rohm的TCTAL0J107M8R贴片电容(3欧@100kHz)。大家都是Rohm的钽电容系列,是不是太神奇了?
1电路
图中是同步buck电路实物,主芯片采用XRP6658,1.5MHz开关频率。电感采用TOKO公司的DFE252010C系列1269AS-H-2R2M。再有器件,就是前面提到的Rohm电容。(RMB仅做尺寸参照,不是电路的一部分。)
2工作原理

在Buck以1.5MHz工作的每一个周期内,S1和S2分别打开。图中绿色是S1打开后电流的流向示意图;图中红色为S1关掉,S2打开为电感续流的电流流向示意图。有了这个图,buck工作原理一目了然,


图中表示的是流过电感的电流。两个颜色分别对应上图的S1、S2打开过程。

3纹波和噪声
示波器图片中看到的毛刺,即开关噪声。是由S1、S2(也就是XRP6658内部的2个MOS)导通和截至瞬间产生的尖脉冲所造成。开关噪声随处可见,MCU的I/O在强驱动模式,高频翻转时也可以看到。
纹波是另外一个概念,是输出直流电压的波动。工作原理图片中清晰可见,每一个开、关过程,形成一个充电和放电的过程, 从而造成输出电压的波动。(纹波的波形和流过电感的电流波形非常类似。)
4电容的ESR
电容的ESR,Equivalent Series Resistance,等效串联电阻。直接影响到电容对噪声和纹波的吸收能力。图中所示为电容的等效模型。

简单举例,100mA的电流脉冲,加在ESR=3欧姆的电容上,可以引起0.3V的噪声。但是,同样100mA的电流脉冲,加在ESR=0.035欧姆的电容上,只引起0.0035V的噪声,完全可以忽略。
此时,各位可以明白开篇那个图片中噪声为何消失了吧?
钽电容主要有普通二氧化锰钽电容和高分子聚合物(Polymer)钽电容两种。由于二氧化锰是一种很热情的材质,易燃易冒烟,因此普通钽电容过压(特别是电源调试中,把供电的正、负极接反……)就会出现冒烟起火甚至爆炸等现象。随着钽电容polymer化,杜绝了二氧化锰材质,钽电容变变得更安全、低ESR。
关于ESR,也是有测试条件的,以村田这颗MLCC为例,可以看到在频域内,可以有几百倍或者更大的变化。

5地不是地
地不是地?
是的,您没看错。我们在buck输入端电容、输出端电容接地处,可以测试到580mV峰峰值的噪声。图中清晰可见这段地线不足1cm。
从工作原理电流回路这张图,各位也大概能明白,这是由buck芯片内部Mos开关时的瞬态电流引起。以后有机会我们来分析这个瞬态变化。
此处只是给同行们一个分析问题的思路:当我们的模拟小信号受到干扰时,或者音频电路有电流噪声时,能想起有可能是PCB layout或者是地线的布局引起就足够了。



来源:网络


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