高速PCB中旁路電容的分析

3 利用電容模型分析PCB中的環(huán)流問題

電源去耦電容放置位置不當(dāng)將會在印制電路板上產(chǎn)生很大的電流環(huán)。為了減少噪聲，在高速印制電路板的設(shè)計(jì)當(dāng)中，有一個(gè)很重要的原則是：減少信號電流環(huán)的面積。過去我們習(xí)慣于只考慮電流的流出起點(diǎn)、途徑及終點(diǎn)，而很少去考慮電流的返回路徑。在高頻電路中，通常認(rèn)為電源和地是等價(jià)的，因此電流的流出途徑和返回途徑將形成一個(gè)電流環(huán)，在這些電流環(huán)中，會由于種種原因，例如電容的寄生電感，PCB連線的固有電感等，使得環(huán)路的阻抗不為零，這樣電流流經(jīng)這一環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生電勢差，如果電流是變化的，則將產(chǎn)生輻射，對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。為了給電源濾波，在電路設(shè)計(jì)中常常要在電源和地之間加上一些旁路電容，在回路中增加旁路電容主要有兩個(gè)目的，一是增加環(huán)路中存儲電荷的能力，以免瞬間電流過大，產(chǎn)生地彈噪聲。二是適當(dāng)?shù)姆胖?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/旁路">旁路電容的位置，可為噪聲信號提供就近的地回路，減少電流環(huán)路的面積，從而減少了環(huán)路的電感。采用了旁路電容的回路中，由于欲濾除的噪聲頻率通常是高頻交流信號，因而這樣的回路仍舊將會對外產(chǎn)生輻射。為了減少這一輻射，我們需要盡可能的降低回路的阻抗，必須合理放置旁路電容的位置。圖4顯示了由于濾波電容放置位置不當(dāng)產(chǎn)生的大電流環(huán)。

圖5為電流環(huán)的模型。從電流環(huán)模型中我們可以看出，環(huán)路中存在寄生電感，它們在高頻狀態(tài)下表現(xiàn)為環(huán)路的阻抗可導(dǎo)致供給電源產(chǎn)生尖峰，并會輻射電磁波從而干擾系統(tǒng)的其他部分。環(huán)路中Ll為電容管腳引線的封裝電感；Lpc為電容管腳到器件電源或者地管腳之間的PCB傳輸線的寄生電感；Lic為器件管腳引線的寄生電感。另外，在前面我們討論過電容本身也是具有寄生電感ESL的。這樣回路的總電感為：L＝2Ll+ 2Lpc+2Lic+ESL。由于環(huán)路的寄生電感將會給整個(gè)系統(tǒng)帶來電磁干擾，產(chǎn)生電壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰值同串聯(lián)電感之間存在一定的關(guān)系.

這里V為最大噪聲電壓尖峰值，△t為瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間，△I為器件瞬態(tài)電流，△t、△I值可以從器件手冊中查得。例如74HC的瞬態(tài)電流典型值Icc為20mA，輸出信號從零上升到Icc或者從Icc下降到零需要的時(shí)間為4ns，如果現(xiàn)在我們試圖控制感性噪聲的尖峰在100mV以內(nèi)，那么由上面的公式我們可以求得串聯(lián)電感L的最大值不超過20nH。在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者可以通過以下幾種方式來降低回路電感：選擇寄生電感比較小的電容，降低ESL（不同型號電容的寄生電感值見表1）；盡量使用貼片電容以減小電容引線長，降低Ll值；合理的放置電容，使用電源層或地平面層代替電源或者地傳輸線，減小電源地傳輸線電感Lpc；合理選擇集成器件的封裝，以降低Lic值，比如對于器件ADV478來說，PLCC封裝的寄生電感比DIP封裝的寄生電感要小2nH到3nH。

4 電源擾動及地彈噪聲的產(chǎn)生機(jī)理