标签: 去耦

很多新手设计电路，通常会觉得电源的设计很简单，不就是线性电源和开关电源吗？找个参考设计抄一下就行了。。。。。 因为如此，电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。相反，电源虽然是设计中非常基础的部分，但是，作为一款优秀的设计，电源设计应当是非常重要的，它很大程度影响了整个系统的稳定性，以及性能和成本。 下面这张图是我设计的一个对照图。人体器官对应常见电路的功能模块，我觉得这样比较形象。比如，大脑就对应常用的电路系统中的CPU部分，肚子呢？吃东西的，就相当于存储部分。而我们的心脏不停的跳动，泵血，当然就相当于电路系统中的电源了。 当然，电源可以聊的地方非常多。比如我们要设计一个开关电源就需要搞懂以下这些知识 1)认识组成开关电源的所有元器件; 2)掌握各种元器件的电气性能和电路符号; 3)会自己制作各种磁性元件; 4)会正确装配电源中的各个部分; 5)了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法; 6)会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试,优化和折衷; 7)会对获得的实验结果进行分析,并进行总结; 8)会从不同的渠道不断地学习电源知识. 。。。。。。。 退 耦 电容的工作逻辑 因此，本文不会展开聊，只是关注一个小细节，就是电源中的退耦电容。 这往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。很多人搞ARM，搞DSP，搞FPGA，乍一看似乎搞的很高深，但未必有能力为自己的系统提供一套廉价可靠的电源方案。退耦电容是电源电路不可或缺的部分，我们从退耦电容一个作用点说起---退耦电容的小池塘作用。 为简单清晰的说明这个问题，我做了下图。左边是水库，右边是小池塘和玉米庄稼地。工作逻辑是这样的：虽然直接用水库里的水灌溉玉米地也是可以的，但是由于距离太远，远水解不了近渴，所以庄稼地很容易干死。因此，通常情况下，在玉米地附近，会配套的开发出，小池塘，用作零时的水源供应。 详细来说，当玉米地需要灌溉时，从旁边的小池塘中，可以直接取水，保证玉米的稳定生长。而小池塘中，如果缺水，可以从水库中调水过来，因此池塘是有存储功能的。这样就可以保证整个系统的稳定工作。 对照来说，水库就相当于式电路系统中的电源供应模块，小池塘就相当于是退耦电容，而玉米地就是工作的芯片，处理器等。芯片稳定工作，需要稳定的供电，但是如果芯片的电压需求波动时，电源来不及及时处理，此时，退耦电容就可以充当临时电池，来补充需要的电源。以保证系统的稳定工作。 很多人对电容的概念大多还停留在理想的电容阶段，一般认为电容就是一个C。却不知道电容还有很多重要的参数。实际的电容可以等效成下面的电路形式： C：电容容值。一般是指在1kHz，1V 等效AC电压，直流偏压为0V情况下测到的，不过也可有很多电容测量的环境不同。但有一点需注意，电容值C本身是会随环境发生改变的。 ESL：电容等效串联电感。电容的管脚是存在电感的。在低频应用时感抗较小，所以可以不考虑。当频率较高时，就要考虑这个电感了。举个例子，一个0805封装的0.1uF贴片电容，每管脚电感1.2nH，那么ESL是2.4nH，可以算一下C和ESL的谐振频率为10MHz左右，当频率高于10MHz，则电容体现为电感特性。 ESR：电容等效串联电阻。无论哪种电容都会有一个等效串联电阻，当电容工作在谐振点频率时，电容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一个电阻，这个电阻就是ESR。因电容结构不同而有很大差异。铝电解电容ESR一般由几百毫欧到几欧，瓷片电容一般为几十毫欧，钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。 常见的电容，有铝电解电容，瓷片电容和钽电容等。 铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制，然后再浸电解质液制成的，其原理是化学原理，电容充放电靠的是化学反应，电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制，一般都应用在频率较低（1M 以下）的滤波场合，ESR主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和，值比较大。铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。 2）瓷片电容存放电靠的是物理反应，因而具有很高的响应速度，可以应用到上G的场合。不过，瓷片电容因为介质不同，也呈现很大的差异。性能最好的是C0G材质的电容，温度系数小，不过材质介电常数小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材质，这种材质介电常数大，所以容值能做到几十微法。 3）钽电容无论是原理和结构都像一个电池。 首先，要说的是钽电容其实是电解电容的一种，这个很多人都不知道。钽电容拥有体积小、容量大、速度快、ESR低等优势，价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容，而如果想得到较大的耐压就需要较厚的Ta2O5，这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。钽电容需引起注意的另一个地方是：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。因此，虽然钽电容有很多优点，但由于某些场合容易被击穿，因此应用的时候，一定要多加考虑。很多时候，我们避免用钽电容。 电源设计中电容的作用 在电源设计应用中，电容主要用于滤波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。 滤波主要指滤除外来噪声 而退耦/旁路是减小局部电路对外的噪声干扰。 一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不是很快，但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。 浪涌电流较小的情况下，使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。一般来说，作为退耦的电容，必须有很快的响应速度才能达到效果。 另外，退耦电容需要满足两个要求，一个是容量需求，另一个是ESR需求。 也就是说一个0.1uF的电容退耦效果也许不如两个0.01uF电容效果好。而且，0.01uF电容在较高频段有更低的阻抗，在这些频段内如果一个0.01uF电容能达到容量需求，那么它将比0.1uF电容拥有更好的退耦效果。通常，电源的滤波中，会考虑将不同容值得得电容并联起来，以形成一个低阻抗的坑，达到更好的滤波效果，让系统工作更稳定。

每次收到表扬都会很高兴，特别是收到面包板的表扬，毕竟是真金白银的——2元表扬。哈哈哈哈哈，开玩笑，真心高兴，鼓励我继续。 来到新单位有一段时间了，基本上还是审图，然后写写程序。好久没画电路图了，好真有点手痒痒。最近有个项目，原来几版都没出现的问题，在我来之后出现了，自然也就落在我的头上，也是难得的表现机会。 说起来也很奇怪，一个BUCK电路的问题，降压电路不成功。虽然我不是专做电源的，但是各类电源也做过不少。虽然没有丰富的拓扑理论知识，但是一般的DCDC也不至于搞不定。但是这个BUCK电路的问题一开始还真让我头疼一阵子。 电路原理图如下，再次重复，单位资料保密，无法截图，只能自己做个示意图，介意请绕道。 同样的参数，在前一版就没有任何问题，输出完全正常；但是在这一版，输出很小，根本不是正常输出； 通过不断换电容，电阻，IC都没法改变不好使的情况； 降低输入电压有效，但是恢复到正常输入电压还是不行，不稳定，无法带负载； 总结应该是没有锁住反馈，收到干扰导致BUCK芯片没法正常工作，那干扰从哪来呢？ 我断开所有负载也没有好转，我加上假负载也是一样。后来静下心看看PCB吧，虽然画PCB的同事水平很高，不应该怀疑，但是实在没办法，时间不等人了。 经过不断相面，也没发现什么，GND是内层，很完整。线也是该粗的粗，该细的细。唯一让我感觉有点怀疑的就是图中红色和蓝色两根线，为了减小走线长度的关系，走线变现成下图的情况。 问题就是两根线一个是蓝色的反馈线和红色的BUCK供电线，两根线都在BUCK的续流二极管和电感以及IC下面，这都是PWM的高频振荡的正下方，收到的干扰也是最大的。 找到可能的原因，动手割线、飞线、重新焊接，在IC的输入端增加10nF的小电容，防止自激，效果如下图。 测量输出，完美。调整输入，测量输出也没有任何问题。这样总算是完成任务。 想想这过程，本来PCB的走线是为了缩短走线距离，走线在高频振荡的器件下面，虽然有内层GND做隔离，但是还是不稳定。更改走线，绕个远就好很多，当然最关键的还是输入端的去耦小电容，这几个都是缺一不可的，因为只要去耦小电容，走线不合理也是没用的，特别是DCDC，虽然现在的DCDC芯片抗干扰已经很强了，但是也需要走线合理才好。 电路有时候就像人生，有绕远也不一定是坏事，多走走，多想想，可能会做出更好的选择。

1. 去耦电容的选择 电容类型总结表格 实际的电容并不是理想，表现为： a.电容具有引脚电感，当频率高到一定的值后会使得电容的阻抗增加； b.电容具有ESR，这也会降低电容的性能； c.电容有温度特性，随着温度的改变，电容的介质属性会变化并引起容值的变化； d.电容的容值会由于介质老化而慢慢变化； e.电容过压会爆炸。 当选择去耦电容时，充分理解上述非理想性是很重要的，串联电感和ESR的影响可以计算得到，关于温度特性、老化特性和电压范围只能由生产厂家提供详细资料。 用等效交流阻抗来评估一个去耦电容的优劣，等效交流阻抗用电阻、电感和电容阻抗的均方根值来近似：ohms 其中：R ESR ：电容的串联电阻；X ac ：电容的等效交流阻抗；L：电容管脚、封装、接插件电感的和。 下图所示的为一个电容的频响曲线。图中可以看出电容的带通特性（bandpass characteristics），低频段，电容表现为电容，当频率增加，电感成分占了上风，阻抗随频率增加而增加。 电容的阻抗很大程度上依赖于数字信号的频谱成分。因此，应该正确选择这一频率，可是在数字系统中因为信号包含很多频率成分，所以这一频率不是可以直接得到的。有一些方法可以得到旁路电容必须通过的最大频率。一些工程师简单的选择最大频率为基频的五次谐波，例如，如果总线的频率为500MHz，它的五次谐波为2500MHz。如果电容的引脚电感或ESR很高，那么可以另外选择电容或并联放置电容以降低等效电感和电阻。 2. 去耦电容的去耦时间的计算 本文从另外一个更直观的角度来说明去耦电容的这种特性，即电容的去耦时间。稳压电源以及去耦电容是构成电源系统的两个重要部分。对于，现在芯片的速度越来越快，尤其对于高速处理芯片，负载芯片的电流需求变化也是非常快。内部晶体管开关速度极快。 例如，处理芯片内部有 2000 个晶体管同时发生状态翻转，转换时间是 1ns ，总电流需求为 600mA 。 这就意味着，电源系统必须再 1ns 时间内补足 600mA 瞬态电流。但是，对于目前的稳压源系统来说，在这么短的时间内并不能反应过来，相对于快速变化的电流，稳压源明显滞后了。根据一般经验来说，稳压源的频率响应为几百 K 左右，因为在时域系统里， 1/100KHz=10us ，也就是说，稳压源最快的响应时间为 10us ，无法在 1ns 时间里得到响应。这样的后果是，负载还在嗷嗷待哺等待电流，稳压源却无法及时提供电流，总功率一定，电流增大了，于是电压就会被拉下来，造成了轨道塌陷，因此噪声就产生了。 如何解决呢？方法是并联不同容值的电容器。因为，稳压源需要 10us 才能反应过来，所以在 0-10us 的时间里也不能干等着，需要用恰当的电容来补充。比如按照 50mohm 的目标阻抗，可以计算出电容： C=1/(2*PI*f*Z)=31.831uf 而电容的最高频率同时可以计算出来，假设 ESL 为 5nH, 所以有 f=Z/(2*PI*ESL)=1.6MHz 。 也就是说加入 31.831uf 的电容，可以提供 100KHz 到 1.6MHz 频段的去耦。另外， 1/1.6MHz=0.625us ，这样一来， 0.625us 到 10us 这段时间电容能够提供所需要的电流。 10us 之后，稳压源能够提高需要的稳定电流。 另外，加上一个大电容并不能满足要求，通常还会放一些小电容，例如 15 个 0.22uf 的电容，可以提供高至 100MHz 的去耦，这些小电容的最快反应时间是 1/100MHz=1ns ，因此，这些电流能够保证 1us 之后的电流需求。 此外，这个反应时间可能还不太够，一般需要将退耦频率提高到 500MHz ，也就是反应时间快到 200ps ，应该就安全了。计算方法，同上，不再赘述。感兴趣的可以了解一些，目标阻抗de的计算，很有意思。

对于电源去耦，一直都不太了解。 设计电路电源部分的时候，都习惯性的在电源模块输入和输出以及芯片的供电端增加一个1uF的钽电容和1个0.01uF的陶瓷电容，据说可以起到电源滤波和去耦的作用，但其实，一直都不明白，这是要干什么，有机会学习学习，再来补充。 也欢迎大家都说说，这是什么个意思。