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高频开关电源电路设计中耦合与退耦是什么意思?

耦合与退耦

耦合:指信号由第一级向第二级传递的过程,一般不加注明时往往是指交流耦合。

退耦:是指对高频开关电源采取进一步的滤波措施,去除两级间信号通过高频开关电源互相干扰的影响。耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数。


退耦的目的

1.将高频开关电源中的高频纹波去除,将多级放大器的高频信号通过高频开关电源相互串扰的通路切断。

2.大信号工作时,电路对高频开关电源需求加大,引起高频开关电源波动,通过退耦降低大信号时高频开关电源波动对输入级/高电压增益级的影响。

3.形成悬浮地或是悬浮高频开关电源,在复杂的系 统中完成各部分地线或是高频开关电源的协调匹 有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流高频开关电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

  

干扰耦合的方式  

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道对电控系统发生电磁干扰作用的。干扰的耦合方式无非是通过导线、空间、公共线等作用在电控系统上。

  

分析下来主要有以下几种。

直接耦合

这是干扰侵入最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。如干扰信号通过导线直接侵入系统而造成对系统的干扰。对这种耦合方式,可采用滤波去耦的方法有效地抑制电磁干扰信号的传入。  

公共阻抗耦合

这也是常见的一种耦合方式。常发生在两个电路的电流有共同通路的情况。公共阻抗耦合有公共地和高频开关电源阻抗两种。防止这种耦合应使耦合阻抗趋近于零、使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。  

电容耦合

又称电场耦合或静电耦合,是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。  

电磁感应耦合

又称磁场耦合。是由于内部或外部空间电磁场感应的一种耦合方式,防止这种耦合的常用方法是对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽。  

辐射耦合

电磁场的辐射也会造成干扰耦合,是一种无规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另当信号传输线较长时,它们能辐射干扰波和接收干扰波,称为大线效应。  

漏电耦合

所谓漏电耦合就是电阻性耦合。这种干扰常在绝缘降低时发生。

去藕电容一般容量比较大,也就是避免噪声耦合到其他部分的意思;旁路电容容量小,提供低阻抗的噪声回流路径。

其实这种说法也可以算没有什么大错误。但是经过查阅相关资料,才发现其实decouple和bypass从根本上来说没有任何区别,两者在称谓上可以互换。两者的作用通俗一点说:当高频开关电源用。

  

选电容的四个误区

1电容容量越大越好。  

很多人在电容的替换中往往爱用大容量的电容。我们知道虽然电容越大,为IC提供的电流补偿的能力越强。且不说电容容量的增大带来的体积变大,增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键在于电容上存在寄生电感,电容放电回路会在某个频点上发生谐振。在谐振点,电容的阻抗小。

因此放电回路的阻抗最小,补充能量的效果也最好。但当频率超过谐振点时,放电回路的阻抗开始增加,电容提供电流能力便开始下降。电容的容值越大,谐振频率越低,电容能有效补偿电流的频率范围也越小。

从保证电容提供高频电流的能力的角度来说,电容越大越好的观点是错误的,一般的电路设计中都有一个参考值的。


2同样容量的电容,并联越多的小电容越好,耐压值、耐温值、容值、ESR(等效电阻)等是电容的几个重要参数,对于ESR自然是越低越好。

ESR与电容的容量、频率、电压、温度等都有关系。当电压固定时候,容量越大,ESR越低。在板卡计中采用多个小电容并连多是出与PCB空间的限制,这样有的人就认为,越多的并联小电阻,ESR越低,效果越好。理论上是如此,但是要考虑到电容接脚焊点的阻抗,采用多个小电容并联,效果并不一定突出。


3ESR越低,效果越好。  

结合我们上面的提高的供电电路来说,对于输入电容来说,输入电容的容量要大一点。相对容量的要求,对ESR的要求可以适当的降低。因为输入电容主要是耐压,其次是吸收MOSFET的开关脉冲。

对于输出电容来说,耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点,因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好,低ESR电容会引起开关电路振荡。

而消振电路复杂同时会导致成本的增加。板卡设计中,这里一般有一个参考值,此作为元件选用参数,避免消振电路而导致成本的增加。


4好电容代表着高品质。

“唯电容论”曾经盛极一时,一些厂商和媒体也刻意的把这个事情做成一个卖点。在板卡设计中,电路设计水平是关键。

和有的厂商可以用两相供电做出比一些厂商采用四相供电更稳定的产品一样,一味的采用高价电容,不一定能做出好产品。衡量一个产品,一定要全方位多角度的去考虑,切不可把电容的作用有意无意的夸大。

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