信号完整性基础学习笔记——电源系统~下(十)

这一章主要聊聊就从直流压降与热、电容特性、目标阻抗哥电源平面。

一、直流压降与热

直流压降(IR-Drop),IC的容忍值通常在5%~10%,该值包含了电源噪声和直流压降,经验公式两者的比例为2:8,比如一个3V的电源,它的容忍值为5%,那么它的直流压降为3×5%×2/10,电源噪声为3×5%×8/10。这种情况只适合无经验,具体设计还要看数据手册。直流压降是因为电路存在阻抗,存在阻抗就以为功耗,部分功耗会转换为热能向外传输,热量的传递方式有传导、辐射、对流。所以在设计时,针对一些热敏感器件,我们需要关注IC的热性能参数的(Qja、Qjb、Qjc),FR4的导热系数为0.3W/(m.k),铜的导热系数为380W/(m.k)。

二、电容特性

电容可分为电解电容、钽电容、陶瓷电容,其中电解电容、钽电容串联电感较大,适用于低频滤波,陶瓷电容无极性,多用于高频滤波。在高频时需要考虑电容的寄生电阻(ESR)和寄生电感(ESL)的影响,此时电容等效为RLC电路后会在某个频率处谐振,在谐振频率前呈现容性,在谐振频率后呈现感性。在工程设计时,当电容作为去耦电容时,应使其工作在自谐振的两到三倍之前。ESL过大,会使谐振点提前到达,所以应该选择ESL较小用于高频滤波。在实际中,应该更关注ESR,因为ESR存在会使电容两端形成压降,从而降低滤波效果。

三、目标阻抗

目标阻抗是用来评估PDN系统的一种手段。目标阻抗由频率确定,频率越高,也目标阻抗越高。在PDN 络中VRM作用于低频段,通常小于毫欧级别,PCB板上的去耦作用于中频段,更高频的噪声则由片上电容负责。公式Zt=三角形△V/I(电源噪声容限除于器件工作电流,工作电流要保证裕量严格时为0.5Imax,通常只要保保证0.3Imax即可),比如△V=1.8×30%≈54mV,器件工作电流10×30%≈3A,那么Zt≈18毫欧。为了使得PDN阻抗满足目标阻抗要求,可以通过仿真软件进行优化,确定去耦电容的个数和位置。

四、电源平面

电源和地平面最主要的作用是提供供电 络、信号返回路径及一定的高频滤波。两个平面间会形成电容器,且由于存在分布寄生电感,容易形成谐振腔,其具有谐振特性。谐振由物理结构决定,影响因素主要有介电常数、介质厚度、去耦电容等。优化谐振可以通过改变电源和地平面的面积;采用高介参数的介质材料;减少介质厚度等。工程上说电源和地平面要尽量靠近,更多的是减少回路电感。

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