环流:向我们发出警告

技术分类: 电源技术  | 2006-12-07
Paul Rako,EDN技术编辑

  理解了如何避免或尽量减小环流的影响,您的设计就会更可靠。每个工程师都应掌握化解这种潜在威胁的技术。
  要 点
  环流可以祸害电源电路、音频电路以及 RF 电路。即使 IC 设计者也必须努力应对环流的影响。
  在考虑环流造成的麻烦时,电路的交流阻抗要比电阻更重要。
  原理图中的公共符号或接地符号只不过是另一种线路,并不代表零阻抗。
  电源输出电流大,内部环流也大。应使基准接地远离这些节点。应使电源电路和你的系统在一点连接。
  切割接地层通常会造成更大麻烦。但是,当全是模拟电路时,这个规则就有些例外。
  通常良好的设计习惯和采用差分信号链就可避免音频与 RF 电路中的接地回路。



  对设计工程师来说,环流会造成毁灭性灾难,无论你的设备是计算机还是通信系统。有些工程师缺乏对环流的正确认识,因为在原理图上一般用一个接地符号或公共符号表示所有电路的返回路径。初级工程师经常错误理解这个符号,认为它代表零阻抗。情况并非如此,接地符号只表示你原理图上的一种线路。如果接地连接中的电流足够大,或者变化得足够快,就会产生一个相当大的电压,该电压可能影响到电源的精度。另外,在仪表应用中,该电压还



会造成测量误差,数字系统工程师必须努力应对接地弹跳问题。音频缓冲器会出现可怕的接地环路中的环流效应,它会引起蜂鸣和哼声。RF 工程师总要努力控制高频系统设备中地电流的流动。接下来我们将寻找环流的原因,看一些实际例子,然后了解一些实用的设计原则,防止环流毁掉你的设计。

  即使有经验的工程师也必须记住,原理图上的接地符号或公共符号只是为了标记方便。一个接地符号只是表示一根线,虽然一根线有很多连接。当接地符号表示一个接地层时,仍然会存在一个有限的阻抗,它可能干扰电路的正常工作。这个关键字是“阻抗”,而不是简单的电阻。当敏感节点有微伏的变化时,接地电路的电阻就会造成问题。比较常见的问题是电路的阻抗,或不同频率下显示的电阻。即使是新手工程师也应该可以觉察这个问题(见附文1“阻抗101:熟悉的阻抗老公式”)。当用DVM(数字电压计)测量时,一根50Ω同轴电缆会显示出毫欧级的电阻。但在高频下,该电缆的阻抗为50Ω。

  用一些实际数值代入熟悉的阻抗老公式,可能有助于证明接地连接对阻抗(而不只是电阻)有如此之高的依赖程度。25 pF 电容看来并不大,但在 100 MHz 频率时,阻抗公式给出的值是64Ω。我们知道,视频信号的阻抗通常是300Ω、75Ω或50Ω,而仅25 pF杂散电容就能产生64Ω的阻抗,这足以让你踌躇不前。在环流王国中,电感经常是问题的根源。15 nH的电感是个很小的值。自由空间中一英寸电线的电感大约为15 nH。但在100 MHz时,该电感的等效电阻为9.5Ω。你再次看到仿佛无关的杂散电感却能变成相当大的阻抗。

  乍看来,这些事实并不会对很多工程师造成困扰。他们认为,由于自己的开关电源时钟为 200 kHz,所以不需要担心阻抗问题。但是,他们没有搞明白工频与电路中的最高频率成份。傅利叶分析表明,一个 200 kHz 方波的频率成份可达数百兆赫。为更好地理解这些问题,可将电容与电感的关系看作电压和电流。

  同样,我们把一些实际值代入熟悉的阻抗公式。看看电路节点与衬底之间的杂散电容,2 pF值在半导体中并不罕见。IC的上升时间通常为1ns。如果器件工作在5V,变化速率就是5V/ns,或5GV/s。将此数字与这个微小电容值相乘,得到一个 10mA 的电流。每个以此速率转换的节点都会将10mA电源电流倾流入地。

  这只是很多种环流中的一种情况。例如,查看同一 IC 上的一个小电感的影响。如果所有这些杂散接地电流总和为 100 mA,该电流在相同的 1 ns 内出现,则电流的变化速率为 100 mA/s。一片 IC 中的一根接合线很容易有 2 nH 电感。通过该接合线的这个电流变化就产生 0.2V 电压。这个数值可以影响逻辑电平或瞬变时间。不要忘记:相同瞬变发生在电源线上,并且可能造成自己的问题(参考文献 1)。

  对环流而言,如果信号移动得足够快,即使很小的杂散电感和电容也可以产生大电流和大电压。因为板级 Spice 和其它仿真通常不对这些杂散值建模,所以电路会在计算机上表现得很完美。但到试验板或生产阶段,环流的影响却能毁掉你的设计。


0
0
(请您对文章做出评价)
1】【2】【3】【4】【5
加载中

对文章的评论

更多评论

剩余字数:  

专题

Google提供的广告

浏览该文章的用户还看过...

  • 文 章

  • 论 坛

  • 博 客

  • 小 组