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(1)稳压芯片输出的电压不是恒定的,会有一定的纹波。
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(2)稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源响应的频率一般在200Khz(指电流)以内,能做正确的响应,超过了这个频率则在电源的输出短引脚处出现电压跌落。
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(3)负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗产生的压降。
电容退耦二种解释
•电容退耦是解决电源噪声的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度,降低电源分配系统的阻抗都非常有效。
•一种解释是储能,当负载发生瞬态电流变化时,电源不能即时满足负载的瞬态电流的要求,可根据公式I=Cdv/dt,此时电容二端存在电压的变化,电容开始放电,及时提供负载电流。
•一种解释是阻抗,把负载芯片拿掉,从AB二点向左看去,稳压电源及电容可以看出一个复合电源系统,无论AB二点负载电流如何变化,都保证AB二点电压稳定及AB二点电压变化很小,可根据公式△V=Z *△I。
目标阻抗
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目标阻抗是电源系统的瞬态阻抗,对快速变化的电流的表现出来的一种特性阻抗。目标阻抗喝一定宽度的频率有关,在感兴趣的频率范围内,电源阻抗都不能超过这个值。
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目标阻抗公式: ,其中vdd为要进行的
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去耦的电源电压,ripple为允许的电压波动范围,典型值为2.5%,△Imax为负载芯片最大瞬态电流变化量。
1 目标阻抗是电源系统的瞬态阻抗,是对快速变化的电流表现出来的一种阻抗特性。
2 目标阻抗和一定宽度的频段有关。在感兴趣的整个频率范围内,电源阻抗都不能超过这个值。阻抗是电阻、电感和电容共同作用的结果,因此必然与频率有关。感兴趣的整个频率范围有多大?这和负载对瞬态电流的要求有关。顾名思义,瞬态电流是指在极短时间内电源必须提供的电流。如果把这个电流看做信号的话,相当于一个阶跃信号,具有很宽的频谱,这一频谱范围就是我们感兴趣的频率范围。
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为了清楚说明电容量的计算方法,用一个例子来说明。要去耦的电压为1.2V,容许电压波动为2.5%,最大瞬态电流为600mA。
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(一)计算目标阻抗:
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(二)确定稳压电源的频率响应范围,通常和电源芯片有关,一般是DC~100khz。在100khz以下时,电源芯片很好的对瞬态电流做出反应,高与100khz时,表现为很高的阻抗,若没有外加电容,电源波动将超过允许的2.5%。
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三)计算Bulk电容量
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当频率处于谐振点以下时,电容的阻抗可近似表示为Zc=1/2πf。当频率f越高,阻抗越小,频率f越低,阻抗越大。在感兴趣的范围内,电容的最大阻抗不能超过目标阻抗。因此使用100K计算(电容起作用的频率范围内最低频率,对应的电容最高阻抗)
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(四)计算Bulk电容的最高有效频率
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当频率处于谐振点以上时,电容的阻抗可近似表示为:
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当频率f越高,阻抗越大蛋不要超过目标阻抗。假设ESL=5nH,则最高有效频率为: ,这样
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大的电容能把电源阻抗在100khz到1.6Mhz之间控制在目标阻抗下。当频率高于1.6Mhz时,还需要额外的电容来控制电源的系统阻抗。
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(五)计算频率高于1.6M时所需的电容量
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若电源在500M以下都能满足波动要求,则必须控制电容的寄生电感量,及 ,因此:
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若0402封装陶瓷电容,寄生电感为0.4nh,安装电路板过孔的寄生电感为0.6nh,则总的寄生电感为1nh,为了满足电感不大于0.016nh,则需要电容为个数为1/0.016=62.5,因此需要63个。为了在1.6M处阻抗小于目标阻抗,则需要电容量为
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因此每个电容量为1.9894/63=0.0316uf。
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综述上面,对于这个系统需要1个31.831uf大电容和63个0.0316uf小电容即可。