IC电源去耦原理及滤波元件选型

xiananUZI · 发表于 2021-9-18 10:52

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1.耦合机理及去耦需求

集成电路芯片都有电源引脚，有的甚至有多个电源电压和模拟数字混合电源。无论电源引脚数量如何，每路电源都有其允许范围，包括推荐工作范围和最大绝对值。为防止芯片损坏、保持正常工作，必须遵守这些限制条件。

然而，由于噪声和电源纹波导致的电源电压微小变化——即便仍在推荐的工作范围内——也会导致器件性能下降。例如在集成运放中，微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化，如下图所示：

运放的电源抑制显示输出电压对电源轨变化的灵敏度标题
运放对电源电压变化的灵敏度用电源抑制比（PSRR）来量化，其定义为电源电压变化与输出电压变化的比值。通常情况下，这个比值越大，则说明器件的稳定性越强。

上图显示了典型高性能放大器（OP1177）的PSR随频率以大约20dB/10倍频程下降的情况。图中显示了采用正负电源两种情况下的曲线图。尽管PSRR在直流下是120dB，但较高频率下会迅速降低，此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。

如果芯片驱动较大负载，并且在电源轨上存在分布阻抗（寄生），则负载电流会调制电源轨，在分布阻抗上形成压降，增加了交流信号中的噪声和失真。

在高频数字电路中，高频IC的性能会随着电源上的噪声而变差，降低逻辑电平的噪声容限，时钟抖动产生错误时序。

2.去耦原理

典型的4层PCB通常设计为接地层、电源层、顶部信号层和底部信号层。表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层，从而最大限度地减少接地连接中的无用阻抗。
电源轨通常位于电源层，并且路由到IC的各种电源引脚。显示电源和接地连接的简单IC模型如下图所示。

显示走线阻抗和局部去耦电容IC模型
IC内产生的电流表示为IT。流过走线阻抗Z的电流产生电源电压VS的变化。如上所述，根据IC的PSR，这会产生各种类型的性能降低。通过使用尽可能短的连接，将适当类型的局部去耦电容直接连接到电源引脚和接地层之间，可以最大限度地降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去耦电容用作瞬态电流的电荷库，并将其直接分流到地，从而在IC上保持恒定的电源电压。虽然回路电流路径通过接地层，但由于接地层阻抗较低，回路电流一般不会产生明显的误差电压。

下图显示了高频去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况。否则，连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。

高频去耦电容的正确和错误放置
上图左侧，电源引脚和接地连接都尽可能短，是最有效的走线方式。但在上图右侧中， PCB走线内的寄生电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低，且增加封闭环路可能造成干扰问题。

3.选择去耦电容及磁珠

低频噪声去耦通常需要用电解电容（典型值为1μF至100μF），以此作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容（典型值为0.01μF至0.1μF）直接连接到IC电源引脚，可最大程度地抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。此连接需要短走线或过孔，以便将寄生串联电感降至最低。

大多数IC数据手册在应用部分说明了推荐的电源去耦电路，用户应始终遵循这些建议，以确保器件正常工作。

铁氧体磁珠（以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷）也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下（<100kHz）为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。 100kHz以上，铁氧体成阻性（低Q）。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。

铁氧体磁珠并不一定需要加，但可以增强高频噪声隔离和去耦。还有一点容易忽略，就是需要验证磁珠会不会饱和，特别是在运算放大器驱动高输出电流时。当铁氧体饱和时，它就会变为非线性，失去滤波特性。请注意，某些铁氧体甚至可能在完全饱和前已经呈非线性。因此，如果需要功率级，以低失真输出工作，当在磁珠饱和区域附近工作时，应检查磁珠的饱和性。最重要的参考参数是其通流电流，一般工作点放在磁珠额定电流的一半比较合适。典型铁氧体磁珠阻抗如下图所示。