数字电路中的电源电压波动和源阻抗

因为电子设备内的电源和接地为很多电路所共用，所以它们可能成为噪声传出或者进入的便捷通道，如图1所示。为防止噪声传导，可如图2(a)所示插入一个电源滤波器。滤波器的效用可按照除电源外其他情形的同样方式以插损或S参数来表示。

同时，电源为负载电路提供电流。如图2(b)所示连接一个数字IC，数字IC会通过其运行改变电源电流，使电源感应到噪声，进而可能干扰电路本身的运行。下文中将这一现象称为电源电压的波动。电源滤波器也需要具有抑制电源电压波动的作用。

一般而言，滤波器防止噪声传导的效果与抑制电源电压波动的效果并不不同。其抑制电源电压波动的效果通过源阻抗来表示。当电源电压的波动传到外部时，噪声将会如图2(a)所示被传出。尽管这两种噪声看似不同，但它们却相互关联。

图1 噪声经过电源线的出入口

图2 电源噪声抑制的两种视角

电源电压波动

(1) 数字电路的运行与源阻抗

如第2章的章节2-3所述，在电路运行中，数字电路的电源和接地中会产生长钉形的电流。这种电流将噪声感应到电源，使电源电压发生波动，导致电路无法稳定运行。它也会更容易引起信号波形和产生噪声方面的问题。

防止电源电压波动的功能通过源阻抗[参考文献 5]来表示。源阻抗是电源品质的一个指标，表示为图2(b)中连接数字IC（负载）的位置处（电源端子等）电源侧的阻抗。

(2) 电源电压波动的影响

图3中的示意图解释了当噪声被感应到数字IC电源时整个设备的噪声产生的影响。IC电源电压波形如图中间所示。根据长钉形的波形，可以发现 这是数字电路运行中感应的噪声。在此，长钉形的波形被称为电源电压的波动。这种效应会干扰电路的稳定运行和增速，或将噪声扩散至电源线或信号线，或使信号 波形失真，如图中(1)到(4)所示。如果扩散至电源线的噪声由电缆发射，则会成为关乎噪声规定的问题。

图3 电源电压波动的影响

(3) 电源噪声的频谱

电源电压的波动源自在数字信号上升和下降瞬间流经的电流。因此，如果噪声源的电路很简单，电源电压波动相关的噪声也具有像信号谐波一样的离散分布频 谱。图4给出了一个实验的示例，其中以20MHz运行的数字IC的电源发射噪声。电源电压每隔50ns(20MHz)呈现出长钉形，而且可以发现 当噪声发射时，每隔20MHz就可以观察到噪声频谱。

图4 观察数字IC电源噪声的实验

(4) 源阻抗的频率特征

为减少电源电压波动，要降低源阻抗。因为根据欧姆定律阻抗与电压存在比例关系，如果流经数字IC的电流恒定，电压波动就会减少，因为源阻抗也降低了。

因为源阻抗非常小，所以很难进行测量。图5显示了通过网络分析仪测量的结果。由于测量值随测量探针的位置而改变，因此需要在既定的位置仔细 进行测量。通常是在IC（负载）的电源端子和接地端子之间测量。为消除IC的影响并提高测量精确性，需要暂时将IC从PCB移开，然后测量PCB侧的阻 抗。

去耦电容器

如果电源电路基于负载的电流恰当运行，源阻抗的理想值应该为零。但是，在现实生活中，在10MHz以上的高频范围内阻抗会逐渐增加（如图5所示），而且在某些情况下，它还会高达几10Ω。

图7 通过去耦电容器抑制电源电压波动

图8 当三端子电容器用作去耦电容器时

环路阻抗

(1) 源阻抗的频率范围

图5中所示的源阻抗实际上给出了一个例子，其通过使用多个去耦电容器实现了极低的阻抗。这些频率特征可以分为如图9所示的三个区域。

(2) 什么控制着低频范围？

①的低于1MHz较为平缓部分可观察到的电源模块输出阻抗。如果不使用去耦电容器，阻抗会从图中虚线所指示的较低频率处开始增加。这是因为电源模块的输出特征和线路中电感的作用。

(公式1)

例如，如果需要将100MHz处的环路阻抗降低到1Ω或更少，总阻抗需要约为1.6nH或以下。这是一个极低的值。

(5) 环路阻抗的要素

因为实际电路可能存在导线分支的情况或者有多个电容器，所以不能像图10和图11那样简单地思考问题。但是，这个模型是有用的，可以作为将环路阻抗分解为各个要素的理念。为有效地尽量降低环路阻抗，需要降低在总阻抗中占很大一部分的电感。

图10 环路阻抗的要素

图11 去耦电路的等效电路

如何尽量降低环路阻抗

为尽量降低高频范围内的环路阻抗，需要降低电容器的ESL和线路的电感。如果能够进行巧妙地设计，可以将双层基板的总电感降低至约几nH，多层基板则可降低至1nH或以下。在图9的示例中，其值约为0.3nH。

(1) 使用低ESL电容器

每个电容器（如果是MLCC）的ESL约为0.5nH，在总电感中占很大一部分。为降低此值，可使用低ESL电容器。

(2) 降低线路电感

要降低线路和通孔中的电感，线路和通孔应该要“粗且短”。例如，在布置电容器和通孔时，应减少图10中所示电流环路的面积。此外，布局模式应该尽可能地宽。将电容器放置在（基板另一侧）IC的正下方，并使基板变薄，通常能够让电流环路变小。

(3) 电容器和通孔的并联

当并联使用众通孔通路和电容器时，可降低阻抗。

因为线路和通孔的电感非常小，而且还涉及互感，所以很难得到一个简单的判断。为此，可使用电磁模拟装置估计这样的环路阻抗。图12给出了电感的一 般范围供您参考。但是，根据线路的不同形状，电感可能相差好几倍。此外，即使只是1mm的长度，也会造成约0.5nH的电感，这是无法忽略的。

图12 降低环路阻抗的电容器布置

(4) 注意反谐振

如果使用了两个或更多个电容器，需要考虑电容器之间发生的谐振。一般而言，如果并联连接具有不同自谐振频率的多个电容器，反谐振会导致具有高阻抗的频率（将在第6章中进行探讨）。

除了线路电感之外，还需要考虑在100MHz以上的高频范围内存在的静电容量。此外，电源层的谐振和IC封装的影响也会在高频范围内变得显著。鉴于要素如此复杂，也可使用电磁模拟装置。

源阻抗和噪声抑制之间的不同

前已述及，使用电源滤波器的另一个重要目的在于防止噪声进入和传出。通常而言，滤波器包括电容器和电感器，它们形成一个低通滤波器。图2(b)显示了电源用典型滤波器的结构。（滤波器的功能和结构将在第3章中进一步描述。）

尽管电容器和电感器都能减少噪声，但它们在抑制源阻抗方面以不同的方式发挥作用。图13显示了一个T型滤波器的情形，其中电容器用于降低阻抗，而 电感器却用于增加阻抗。因此，在使用电容器时，如果使用的是如图7和8所示的高性能电容器，通常能在抑制电源电压波动和减少发射的噪声方 面取得更好的成效。但是，如果使用电感器，就需要注意，即使能够减少噪声，但却可能加剧电源电压的波动。因此，如果使用电感器抑制IC电源终端的噪声，应 该将电感器放置在图13(a)中的位置(b)而不是位置(a)。此外，耦合电容器静电容易应该要足够大。

图13 使用滤波器元件的作用和反作用

在噪声路径上采取噪声措施

尽管使用去耦电容器降低了源阻抗从而抑制了电压波动，但在减少噪声方面可能无法看到充分的实效。图14给出了一个模拟之前测试中相关情形的示例。

图14中指示了电容器(a)和(b)的位置（(a)与图7中采用MLCC的一样）。两个IC都在距电源终端6mm的位置处布置了去耦电容器，因此可以认为环路阻抗是相同的。电源电压波动也在同样的范围内。但是，(b)发射的噪声比(a)高10dB。

产生这种差别的原因在于(a)在能够传导噪声的路径上使用电容器，而(b)在（IC和会发射噪声的天线之间的）噪声路径之外使用电容器。因此，需要沿着噪声路径连接滤波器，以便消除噪声。

图14 在不同位置连接电容器产生的噪声抑制效果的差别

噪声路径未知时怎么办

图14中的测试说明，如果提前知道噪声路径在哪里，就可以很轻松地将电容器连接在位置(a)。但是，噪声路径通常是未知的。在某些情况下，线路的两个部分都存在噪声路径，如图15(a)所示。这时，哪里才是放置电容器的最佳位置呢？

在这种情况下，可如图15(b)所示将电容器放置在线路的两侧以限制噪声。尽管这种方法需要更多的电容器，但由于电容器是并联连接在线路左侧和右侧，可以减少噪声干扰的风险，同时也可降低环路阻抗。

或者，可如图15(c)所示通过电容器再连接电源线。这种方法可以加强源阻抗和降噪效果，但不足以完全消除噪声。

效果最好的方法是通过一个低ESL电容器（如三端子电容器）连接电源线，如图15(d)所示。这样可以获得源阻抗和噪声均减少的出色效果。

图15 噪声传到两侧时的电容器布置

如果针对多层电路板使用电源层，由于其线路电感小，因此有利于抑制源阻抗。但是，直接连接电源终端和电源层会导致难以缩小噪声传播路径的宽度，从而 不利于防止噪声传出。图15(c)和图15(d)所示的通过电容器连接噪声源电源（电源层）的方法也适用于多层线路板，能够改善噪声抑制 效果。