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我们到底需要多少旁路电容器?

2010年3月17日 2 条评论

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在此介绍性文章中,我会分享我个人对于电路板设计人员之间通常讨论的一个问题的看法:我们需要多少旁路电容?正如我们通常与我的Eric Bogatin说到的:“这要看具体情况了。”不过至少在一般而言,从历史的角度来看现有的设计限制,我们应该能总结出相对具体的答案。

比如图1的电脑板。

istv11.JPG

1.一块使用二极管和晶体管的上世纪6070年代的电脑板

这是一个旧的布满二极管和晶体管电脑板,执行一个简单的DTL门功能(二极管晶体逻辑)。它大约是生产于20世纪60年代或70年代初。在我们配电设计课程中,我利用这块电脑板提出了一个问题:你能数出这个板上有多少旁路电容么?

答案很惊人是零。为那为什么今天我们会在电路板上到处找寻位置来放置许多旁路电容,从而来降低我们电子产品的噪音呢?

现在不论是一个新的笔记本电脑或大型电脑板,我们都可以再上面找到几百甚至几千的电容。为了理解在短短数十年来发生的这一显着变化的原因,我们必须研究旁路电容的作用和旁路电容是容如何工作的。

无论是模拟或数字,所有的电子电路,最终都会生成(与/或)程序交互电信号。其运作过程中,他们取自电源的供应电流不断变化,需要根据实际运作情况来确定所需供应电流的大小。有时电路需要的电流较少,有时却很多,这中不同需求的变化,也不断改变着电源轨中的电流。这些不断变化的电流流过电线以及印刷电路板上的电源和电子器件间的布线与层面,产生出电压变化:

gons.JPG

∆V 是电压变化, L代表在供应路径中的电感;dI/dt随时间发生改变的电流变化率。

小的电压波动会被电子器件所接受,但每个电路为了保证正常工作都会有一个最高和最低限额。我们必须设法限制电源电压的变化,否则它会因为所需电流的变化而产生变化。我们必须在电路和电源路径上的串联电感之间放置蓄存器。电容是一个很好的蓄存器,因为不同于电感,电容两端的电压(如果我们忽视它的寄生元件)将不会因为突然的电流改变而发生剧烈变化。

要确定我们什么样的,以及多少电容器,比较方便的是从频域为切入点来看问题。配电网络 (PDN)可以以许多不同形式进行模拟,从简单的集总等效电路,到详细的网格模型。对于我们现在讨论的,我想一个简单的集总等效电路就够了。

图2中的图表显示了简化的PDN等效阻抗。要创建一个熟悉Bode plot图示,我们使用对数指标log-log在坐标轴上。请注意,为了简单起见,该图表只显示阻抗值,但在以后的文章离我们会认识到,当我们使用PDN 阻抗来计算电路的表现的是很该阶段是很重要的。

istv22.JPG

2.简化的PDN集总等效阻抗

途中蓝色的线代表了电源的阻抗,该电源可以是一个电池或电源转换器。在低频时候阻抗较低,但在更高频率的时候,导线,布线,层面的连接电感最终将占据主导地位。绿色线代表了有源器件的阻抗。如果我们将该阻抗图标对应在板封装接口处,绿色线代表了有源器件连同封装,以及封装上PDN电容的阻抗。我们称那些有源器件为“硅silicon”,但他们可以是任何类型的有源电路:在那块旧的电脑板上有源器件是锗晶体管。

综上,蓝色和绿色线产生了三角型的阻抗配置,并且在低频和高频的尾部是平坦的。如果在这个系统上不增加旁路电容,任何噪声电流每次击中这个三角峰值频率时都可能会造成很多噪音。频率轴上从左到右延伸的粗黑线是用来标明我们感兴趣的频率范围,与 PDN阻抗有联系的。我们感兴趣的频率范围并不一定是连续的频谱的一部分,特别是对连接到相同的电源电压却具有不同功能的复合电路来说。

如果要研究的频率范围不是在蓝色和绿色的曲线构成的阻抗峰值所在频率之间,那么该电路将正常工作而不需要增加旁路电容。如果电路的工作激发了阻抗峰值,那么我们需要增加旁路电容,以减少阻抗,从而降低噪音。图标上红色虚线代表一个旁路电容的阻抗,用来补充电源和有源器件的阻抗,也使宽频带的整体阻抗值变得较低。

那么,为什么在旧的电脑板上不需要旁路电容?主要是因为锗晶体管的切换缓慢,并且时钟频率十分低,即短暂的开关电流不激发PDN阻抗的高阻抗部分。

今天的高速电子产品,复杂的电路功能和高时钟频率,大部分时间我们要关心的一个频宽很宽的 PDN阻抗,因此,我们不能允许在源和负载阻抗之间有很高很明显的阻抗峰值。因此,我们需要旁路电容器。如果我们快进几十年里,我们可以很容易预测到电路板又将没有旁路电容了。

因为,当分布式电源都足够小,以至于我们可以把他们放置在非常接近负载的时候,则互连电感将变低,同时有源器件中的芯片和封装电容量将更大,这样我们将又回到电路板上不需要旁路电容的年代了。

电感和磁珠的选型

2009年9月8日 没有评论

简介:
在电子设备的PCB板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠,以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值,载流能力以及其他类似物理特性不同外,通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。

片式电感
在需要使用片式电感的场合,要求电感实现以下两个基本功能:电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路,振荡电路,时钟电路,脉冲电路,波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振,必须有电容和电感同时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容,这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中,电感必须具有高Q,窄的电感偏差,稳定的温度系数,才能达到谐振电路窄带,低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。

image

标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料(通常为氧化铝陶瓷材料)上绕制线圈,或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。
在功率应用场合,作为扼流圈使用时,电感的主要参数是直流电阻(DCR),额定电流,和低Q值。当作为滤波器使用时,希望宽带宽特性,因此,并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降,DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。

片式磁珠
片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(PCB电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。

image

片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。

使用片式磁珠的好处:
小型化和轻量化
在射频噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的电磁干扰。
闭合磁路结构,更好地消除信号的串绕。
极好的磁屏蔽结构。
降低直流电阻,以免对有用信号产生过大的衰减。
显著的高频特性和阻抗特性(更好的消除RF能量)。
在高频放大电路中消除寄生振荡。
有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。
要正确的选择磁珠,必须注意以下几点:
不需要的信号的频率范围为多少。
噪声源是谁。
需要多大的噪声衰减。
环境条件是什么(温度,直流电压,结构强度)。
电路和负载阻抗是多少。
是否有空间在PCB板上放置磁珠。
前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要,

即电阻,感抗和总阻抗。总阻抗通过image 来描述。典型的阻抗曲线如下图所示:

image

通过这一曲线,选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的磁珠型号。

image

片式磁珠在过大的直流电压下,阻抗特性会受到影响,另外,如果工作温升过高,或者外部磁场过大,磁珠的阻抗都会受到不利的影响。

使用片式磁珠和片式电感的原因:
是使用片式磁珠还是片式电感主要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时,使用片式磁珠是最佳的选择。
片式磁珠和片式电感的应用场合:
片式电感:

射频(RF)和无线通讯,信息技术设备,雷达检波器,汽车电子,蜂窝电话,寻呼机,音频设备,PDAs(个人数字助理),无线遥控系统以及低压供电模块等。
片式磁珠:
时钟发生电路,模拟电路和数字电路之间的滤波,I/O输入/输出内部连接器(比如串口,并口,键盘,鼠标,长途电信,本地局域网),射频(RF)电路和易受干扰的逻辑设备之间,供电电路中滤除高频传导干扰,计算机,打印机,录像机(VCRS),电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。

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电感和磁珠的区别

2009年9月8日 没有评论

电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件

电感多用于电源滤波回路,磁珠多用于信号回路,用于EMC对策

磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过错50MHZ。

地的连接一般用电感,电源的连接也用电感,而对信号线则采用磁珠?
但实际上磁珠应该也能达到吸收高频干扰的目的啊?而且电感在高频谐振以后都不能再起电感的作用了……
还请各位大侠明示

先必需明白EMI的两个途径,即:辐射和传导,不同的途径采用不同的抑制方法。前者用磁珠,后者用电感。

对于扳子的IO部分,是不是基于EMC的目的可以用电感将IO部分和扳子的地进行隔离,比如将USB的地和扳子的地用10uH的电感隔离可以防止插拔的噪声干扰地平面?

电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上。在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。

在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。数字地和模拟地之间的磁珠用多大

磁珠的大小(确切的说应该是磁珠的特性曲线)
取决于你需要磁珠吸收的干扰波的频率

为什么磁珠的单位和电阻是一样的呢??都是欧姆!!

磁珠就是阻高频嘛,对直流电阻低,对高频电阻高,不就好理解了吗,
比如1000R@100Mhz就是说对100M频率的信号有1000欧姆的电阻

因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。磁珠的datasheet上一般会附有频率和阻抗的特性曲线图。一般以100MHz为标准,比如2012B601,就是指在100MHz的时候磁珠的Impedance为600欧姆。

在很多产品中,交换机的两个地用电容连接起来,为什么不用电感? 你说的两个地,其中一个是不是机壳的?
我估计(以下全部估计,有错请指点)
如果用磁珠或者直接相连的话,
人体静电等意外电平会轻易进入交换机的地,
这样交换机工作就不正常了。
但如果它们之间断开,那么遭受雷击或者其他高压的时候,两个地之间的电火花引起起火……
加电容则避免这种情况。
对于加电容的解释我也觉得很勉强呵呵,
请高手指教!

交换机的地,是通过两个地之间的之间的电容去消除谐波。就像高阻抗的变压器一样,他附加了一个消除谐波的通路!我自己认为!请指正!

铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金,这种材料具有很高的导磁率,他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用,因为在低频时他们主要程电感特性,使得线上的损耗很小。在高频情况下,他们主要呈电抗特性比并且随频率改变。实际应用中,铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。实际上,铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联,低频下电阻被电感短路,高频下电感阻抗变得相当高,以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置,高频能量在上面转化为热能,这是由他的电阻特性决定的。

线圈,磁珠

有一匝以上的线圈习惯称为电感线圈,少于一匝(导线直通磁环)的线圈习惯称之为磁珠。用途由起所需电感量决定。

请教:对于骅讯的USB声卡方案中,在UBS电源端与地端也分别接有一个磁珠,不知是否有人清楚,但是在实际生产中也有些工程把磁珠用电感去代替了,请问这样可以吗?
那里的磁珠是起什么作用哟?

作为电源滤波,可以使用电感。

磁珠的电路符号就是电感

但是型号上可以看出使用的是磁珠
在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了

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