电源轨电压去耦的最坏情况分析
赵明灿 2021-04-06

有块数字电路板需要对其轨电压去耦进行“最坏情况”分析,但挑战在于要确定最坏情况下的电流脉冲情况。

当前的任务是要表明,将轨电压传送到一块元器件稠密的电路板上时,其对于每安培电路板电流变化,不会经受超过40mV的瞬时漂移。上述变化(从10~90%和从90~10%)的上升和下降时间规定为不超过3ns。

分析的第一部分是要表征电流漂移。为此设计了两个模型:正弦半波和带位移余弦。如图1图2所示,可以对这两种情况推导出脉冲轮廓的参数,从而产生3ns的上升时间和3ns的下降时间。

这两个脉冲模型之间的主要区别在于,正弦半波在电流流动的起止位置具有拐角,在这些地方一阶导数会发生突变;带位移余弦模型可以使这些过渡变得平滑,因此没有一阶导数突变。其结果很快就会显而易见。

图1:正弦半波脉冲模型在电流的起止位置具有拐角,在这些地方一阶导数会发生突变。

图2:带位移余弦脉冲模型使过渡变得平滑,因此没有一阶导数突变。

把这两个脉冲模型重叠起来就会发现,尽管它们俩有所不同,但是确实彼此非常接近。

图3:两个脉冲模型非常接近。

图4:电路板和电源电容器可以看作五个R、L、C的组合。

可以确定,+5V电源轨上的电容可以看作五个R、L、C的组合,其中有些是关于单个电容器,还有一些是关于多组电容器(图4)。性能分析方法是将符合所选脉冲模型的电流脉冲注入,然后使用递归微分方程检查图5所示的电压结果“e”。

图5:用递归微分方程检查电压结果(本例中j=5)。

由于负载电流是从电容器组合中拉出,而不是将其灌入到这个组合,因此计算出的电压“e”必须要从+5V电源轨中减去。结果如图6所示。

图6:从图中可知两种脉冲模型的轨电压漂移情况。

上述结果表明,两种电流脉冲模型均符合<40mV的要求。值得注意的是,正弦半波模型的轨电压突变是由正弦半波不连贯的di/dt所引起,在现实世界中,这只是实际情况的近似值。

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