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时钟数字IC通常需要大的瞬态电源电流。例如大型微处理器可以在很短的时间内消耗高达 10 A 的电流。随着 IC 输出的上升/下降时间缩短我们需要以更高的速率提供瞬态能量。PCB 的电源和接地导体确实存在一定的电感。如果数字 IC 的大瞬态电流流过电源和接地导体的电感则会在电感上产生电压。由于电源和接地导体上存在较大的瞬态电压降我们无法在 IC 的电源和接地焊盘上提供恒定电压。
解决上述问题的方法是提供能够提供瞬态电流的电荷源。这通常是通过将去耦电容器放置在非常靠近每个逻辑 IC 的位置来实现的。我们应该始终记住电路电源布线仅补充去耦电容器中的电荷并且应该由去耦电容器提供所有高频瞬态电流。去耦电容器在与 IC 输出的上升/下降时间相关的短时间间隔内提供瞬态电流并且电源具有至少半个时钟周期来对去耦电容器进行再充电。将高频能量远离配电走线使我们能够更轻松地承受配电结构中不可避免的电感。
去耦环路的电感
如上所述我们使用去耦电容器来避免通过配电走线提供高频电流这会表现出高电感。这就是为什么连接去耦电容器和 IC 的路径电感也很重要。如果去耦环路的电感不够小逻辑IC就会尝试通过功率分配结构来获取其部分高频能量。因此我们需要仔细检查去耦环路的电感并尽一切可能将其化。请参考这篇文章了解减少去耦环路电感的重要技术。在本文中我们将重点介绍可用于将去耦电容器连接到 PCB 电源层和接地层的不同过孔配置。
过孔承载相反方向的电流
安装去耦电容器的传统方法是将过孔放置在电容器焊盘旁边如图 1 所示。 图 1.图片由电磁兼容性工程公司提供。
对于这种情况从电容器的安装焊盘到电源接地平面对的总电感的典型值约为 1.1 nH。为了减少这些过孔的总电感我们可以将它们靠近在一起。将过孔靠近在一起会增加它们之间的互感。
由于这两个过孔的电流流向相反因此增加的互感将减小每个过孔的净电感。为了更好地理解这一点请记住流经电感器的电流会产生环绕导体的磁力线。这些磁力线的方向可以通过图 2 所示的右手定则找到在本例中电流方向为向上。 图 2.使用的图像由Signal and Power Integrity-Simplified提供。
当电流通过通孔时会产生围绕通孔的磁力线。一个通孔的一些磁力线也将环绕另一通孔。
由于两个过孔产生相反方向的磁场参见图 3因此它们之间的磁耦合实际上会减少围绕每个过孔的磁力线总数。导体周围的净磁力线数量决定了其电感。因此当我们的通孔承载相反方向的电流时增加它们之间的磁耦合将减少每个通孔表现出的有效电感。 图3
因此降低去耦环路电感的一种技术是将过孔靠近在一起如图 4 所示。在这种情况下电容器安装焊盘与电源接地平面对之间的电感降低至 0.7 nH。 图 4.图片由电磁兼容性工程提供。
过孔承载相同方向的电流
为了进一步降低去耦环路的电感我们可以对每个电容器焊盘使用多个过孔而不是仅使用一个过孔。图 5 显示了两种可能的布置。 图 5.图片由电磁兼容性工程提供。
如果连接到同一焊盘的过孔之间没有互感我们可以很容易地得出结论并联过孔的等效电感将与过孔的数量成反比。如果它们之间存在互感怎么办
通过连接到同一焊盘的过孔的电流方向相同。与图 3 中的情况不同图 5 的平行通孔之间的磁耦合将增加围绕每个通孔的磁力线总数。因此当我们有承载相同方向电流的过孔时增加它们之间的磁耦合将增加每个过孔表现出的有效电感。
让我们考虑每个焊盘有两个过孔的布置上左图。假设每个过孔的自感为L并联过孔之间的互感为M下图6。等效电感值是多少
图6 考虑到两个过孔的磁力线方向相同可以看出两个过孔的等效电感为 互感 M 不能大于自感 L。因此在坏的情况下
接近于 L。但是如果我们将连接到同一焊盘的过孔彼此充分分开我们可以显着减小互感 M并获得接近于
L
2
的等效电感。
通常假设如果过孔之间的中心间距大于过孔的长度则互感变得远小于自感。在这种情况下过孔的等效电感几乎与过孔的数量成反比。
使用多个过孔的另一个优点
我们看到通过多个过孔我们可以获得与过孔数量成反比的等效电感。还有另一种机制可以使图 5 的布置具有较低的电感。为了理解第二种机制我们需要考虑当电流通过通孔馈入或流出平面时平面中的电流分布。如图7所示在过孔附近电流被限制通过过孔流入或流出平面。当我们远离过孔时电流会扩散。 图 7.图片由电磁兼容性工程提供。
检查平面的电感可能是一个复杂的问题超出了本文的范围。您可以在《电磁兼容性工程》一书的第 10 章中找到一些详细信息。重要的一点是远离过孔电流可以扩散并且平面呈现出低电感。然而在过孔附近电流无法扩散并且路径的电感显着增加。
有趣的是图 7 中所示的电流分布的总电感将主要由过孔附近的大电感决定。图 5 的布置使用多个过孔连接到平面。因此与使用单通孔的配置相比多通孔配置允许电流在平面的更广泛区域中扩散。因此多个通孔可以减小通孔附近的平面的电感并且因此减小去耦环路的电感。
