高速电路中电阻、电容、电感、磁珠的选型及应用

unix155 · 发表于 2021-11-24 13:58

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一、电阻应用的要点：
1、       电阻的阻值
对于阻值可以根据电路的要求计算得到。有时候计算的阻值非常用的阻值，从节省成本的角度考虑，建议采用常用阻值串并联得到。如363ohm可以用330ohm和33ohm串联得到。这样做的目的，一方面避免选用非常用的电阻器件。另一方面可以构建较精准的阻值。（非常用的电阻器件一般都比较贵，不适合量产考虑）
2、       电阻的尺寸
对于尺寸厂家资料一般提供两种尺寸代码：
同一系列的电阻有两种尺寸代码，一种是EIA（美国电子工业协会）代码，另一种是公制代码。都有四位数字构成，前两位表示封装的长度，后两位表示宽度。EIA（美国电子工业协会）代码是英制代码，以英寸为单位，如0603电阻，表示长度为0.06in（60mil）
宽度为0.03in（30mil）。带电阻的公制代码为1608，表示长度为1.6mm，宽为0.8mm。一般我们常用的是EIA（美国电子工业协会）代码。

3、       电阻的额定功率
一般容易被忽略的，这是必须要注意的。电阻额定功率不够造成单板的潜在缺陷。如单板长时间运行发现，电阻R经常爆裂。特别是PHY芯片附近。如果额定电流和实际电流比较接近，则可能构成产品的潜在缺陷。
  在针对额定功率选型的时候，需要注意至少要降额20%使用。

4、       电阻的精度
一般容易被忽略的。关于精度，最常见的应用就是在电源芯片上的应用。

Linear公司的ldo电源芯片为例。在这种应用中，电阻的精度直接决定输出电压的精度。如果选择5%精度的电阻，则输出电源的电压波动范围达到10%，显然无法满足设计需求。因此选择精度为1%的电阻。
总结理解要点：
1、0ohm电阻对高速电路设计有重要的意义
2、在功耗高的路径上，如果串联了电阻，选型的时要考虑电阻的额定功率
3、当电阻用于设定器件的工作参数时，应选用高精度的电阻
二、电容
A：电容的选型和应用
电容应用失败的案例
2-4 电容失效导致低温下硬盘停止工作
在-30度的低温冷启动测试，发现单板启动到硬件监测步骤时报错。原因是47uf的铝电解电容，该电容的工作温度范围是-50~105。将此铝电解电容换成同样容值的钽电容后，在-30度
做多次单板实验，单板工作正常。
2-5 多次带电插拔子板导致母板的钽电容损坏
在调试中，对某单板子做多次热插功能测试，发现插拔十多次就会导致母板上的钽电容爆裂。
该单板子由母板和子板构成的，通过连接器连接。由母板提供12v电源作为子板的电源。而该钽电容就是在母板靠近连接器就近布放，为12v电源滤波的电容，其标称值100uf，额定电压16v。将该电容换成同样容值的铝电解电容问题解决啦
2-6高速电路中电容应用问题导致cpu工作不稳定
1、       高速电路设计中电容的作用与分析
1）       电容的作用一——电荷缓冲池
在高速电路设计中，电源的负载是动态的，即高速运行器件的电流和功耗是不断变化的。为保证器件工作的电压的稳定，希望器件的工作电压不随电流和功耗剧烈的变化而变化，即希望器件的电压尽可能的稳定。这种情况需要一种缓冲池，以便当前环境剧烈变化时，器件的电压尽量平稳。——电容的本质就是储存电荷和释放电荷。
2）       电容的作用二——高频噪声的重要泄放通路
对于高速运行的电路而言，无时无刻不存在状态的转换。在电源传输路径上，需要将这些干扰泄放在相对稳定的地平面上，以免影响器件的工作。根据Z=1/(jwc)，当频率较高时，电容表现为低阻抗，因此，可将电容作为高频噪声的重要泄放通路。
3）       电容的作用三——实现交流耦合
当两个器件通过高速信号互联时，信号两端器件可能对直流分量有不同的要求。对于这种情况，需要将信号所携带的发送端直流分量在未到达接受端前，给予滤除，即隔离信号两边的直流分量。基于电容的痛交流阻直流的天然特性。因此，电容的作用之三是实现交流耦合（ＡＣ　Ｃｏｕｐｌｅ），以实现对直流的隔离（ＤＣ　ｂｌｏｃｋｉｎｇ）
2、       电容等效电路的分析
在高速电路设计领域，电容器件不是纯粹的电容，而是带有电阻、电感等成分的小电路。
ESL由电容器件的引脚电感和电容器件两极间等效电感串联而成，主要取决于封装；
ESR有电容器件的引脚电阻和电容器件两极间等效电阻构成，主要取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻
Rleak则取决于电容器本身特有的泄漏特性。
可以认为，电容器件的特性取决于电容分量、ＥＳＬ分量，ＥＳＲ分量及泄漏特性

１）       电容分量
案例２－７　交流耦合电容选择不当引起数据桢出错

在交流耦合中，电容串联在线路中，阻抗为１／（ｊｗｃ）。容值越小的电容，对低频信号所表现的阻抗越大，使低频信号的衰减越严重。

　　　　　
在设计时需要注意，耦合电容取值不能太大，如果容值太大，将无法满足高速信号变化的边沿的斜率要求。在高速设计中，一般耦合电容的容值为０．１ｕｆ，这样既可以满足数据桢中可能出现的长１长０的情况，又能满足高速信号变换的要求。
２）       ＥＳＬ分量
在高速电路中，应选用ESL值小的贴片电容，因此以贴片电容为例。

从表格可知，随着封装尺寸的增加，ESL值也随之增加。比较特殊的是0612封装的贴片电容，其ESL值甚至小于目前业界尺寸最小的0201封装ESL值。0612封装的电容，其长边为焊接边，连接pcb上的焊盘，相比1206封装，一方面可以更大的，更直接和pcb焊盘贴合的面积；另一方面，其内部电容体到pcb焊盘的距离也更接近，因此ESL值最小。就成本而言，在相同容值的条件，0612封装只是比1206封装只是略微贵一些。
３）       ESR分量、泄漏特性及其他信息

对于ESR设计者往往想到的都是其负面影响。较大的ESR有两个不利因素：一、根据电容损耗角正切值的定义，较大的ESR会产生较大功率p，如果p大到一定程度上，功耗预算不得不考虑电容上的损耗，这是不希望看到的。二、对于高速电路设计，往往希望电容的阻抗越小越好。一是高频信号耦合，会有衰减，而是并联在电源和地之间的电容，提供一个低阻抗的回路。
理解要点：
1、       电容器件并不是纯粹的电容，而是带有ESR、ESL、Rleak等分量的小型电路
2、       ESL取决于期间的类型和封装，而ESR取决于工作的温度、频率、导线的电阻等
3、       大多数情况下，电容器件ESR越小，电路的性能越好，但也有例外，设计时根据需要选型。
3、       滤波电容阻抗随频率变化的分析
高速设计需要考虑高频和低频两种噪声。传统讲“低频噪声选用大电容，高频噪声选用小电容”

C和ESL越大，则谐振频率越低，即谐振频率越低，即电容对高频干扰的滤波效果越差；C和ESL越小，谐振频率越高，越适于滤除高频干扰。实际工作中，利用多种不同的电容构成一个比较宽的低阻抗频带，以尽可能地覆盖噪声频带。
B:高速电路设计常用电容及其应用要点
高速电路设计中常用的电容：陶瓷电容（ceramic capacitors），钽电容（tantalum capacitor），铝电解电容(aluminum electrolytic capacitor)，以及oscon电容。只有陶瓷电容是非极性电容。
1、       陶瓷电容及其应用要点

案例2-11陶瓷电容选型错误导致单板丢数据包
由于陶瓷电容的容值一般都比较小，在电源电路设计中，单独使用陶瓷电容滤波是不合适的，必须搭配钽电容、铝电容或者是oscon等类型的电容
2、       钽电容及其应用要点
钽电容使用金属钽电容作为介质，基于钽的固体特质，具有温度特性好，ESL值小、高频、体积小、节省PCB面积、容值大等特点。一般应用在需要大容量电容滤波场合。
缺点耐压和耐电流的能力较弱。一般要求钽电容的工作电压相对于额定电压降额50%。遇到以下情况电压需要降额70%以上使用：
（1）       负载呈现较强的感性
（2）       串联的电阻小
（3）       瞬变电流大

一般而言，容值越大的钽电容，其ESR往往越小。
一般地，低频采用几个钽电容并联，高频用0402、X5R类型，1uf的陶瓷电容
3、       铝电解电容及其应用要点
铝电解电容使用电解液作为介质，外壳的铝质圆筒作为负极，内部插入一块金属板作为正极。铝电容容量大、耐压高，但温度稳定性差、精度差、高频滤波差，仅使用低频滤波。
在对钽电容不适合用于较大瞬变电流的场合，而这种场合需要用铝电解电容。
在应用中，铝电解电容的电压压降额至少为20%，ＥＳＲ、ＥＳＬ都比较大，同时由于采用液体作为介质，在极高和极低温环境下，性能极不稳定。
从产品的长期稳定性讲，铝电解电容可能成为隐患。因为随着产品使用周期的增加，铝电解电容内部电解液逐渐干涸，容量变小，阻抗增加，滤波效果减弱。因此在高速电力设计中应该尽量避免选用铝电解电容。
4、oscon电容及其应用要点
严格地讲，oscon其实不是一种电容的类型，而是Sanyo公司的一种性能较好的电解电容的品牌

总结：
１）       陶瓷电容体积小、价格低、稳定性好、但容量小。适用于高频率波
２）       钽电容温度稳定性好、ESL值小、高频率波性能好、体积小、节省pcb面积，并且容值较大，但耐冲击电压和冲击电流能力较弱
３）       铝电解电容容量大、耐压高，但温度稳定性差、精度差、高频率波性能差，仅使用低频率波
４）       在电容应用中，应该注意对阻抗——频率特性曲线的理解
三、电感的选型及应用
与电感有关的案例
案例2-13
在电感应用于电源滤波电路时，除了考虑滤波性能还要考虑电感本身的压降
A、高速设计中电感的作用
1、       电感作用之一——通直流、阻交流
Z=jwl频率越高，电感阻抗越大，反之，电感阻抗越小
2、       电感作用之二——阻碍电流变化，保持器件的工作电流稳定
电感是用外表绝缘的导线绕制而成的、电磁敏感的线圈。当线圈中的通有电流时，线圈周围会产生磁场。当电流变化时，线圈感应出电动势，以产生与电流相反的感应电流，阻碍这种电流的变化。
3、       电感的作用之三——滤波
电平状态高速变化的信号，往往寄生有大量的高频谐波，这些谐波是影响电路工作的噪声。在电路设计中，需要构建低通滤波器滤除这些高频噪声。根据电路原理，低通滤波器往往基于电感和电容的构建。
B、高速电路设计常用电感及其应用要点

1H=1000mH=10^6μH=10^9nH
1、       高频信号用电感
主要应用于在射频信号
１）       主要参数
a.       电感值范围：0.6~390nH
b.       直流电阻：有多种直流电阻可供选择，一般地，电感值越大，其对应的直流电阻也越大。
c.       自谐振频率：可以高达12GHZ。电感值越大，对应其自谐振频率越小
d.       额定电流：几十毫安到几百毫安电感值越大，其对应的额定电流越小
２）       应用特点
工作频率小于谐振频率时，电感值基本稳定。但一旦工作频率超过谐振频率后，电感值将迅速增大，达到一定程度又会迅速减小；
在应用中，应选用谐振频率高于工作频率的电感。
对于高频信号用电感而言，谐振频率点一在1GHZ以上，因此支持很高的工作频率
2、       一般信号用电感——主要在高速信号上
1）主要参数
a.电感值范围：0.01~1000uh
b.直流电阻：有多种直流电阻可供选择，一般地，电感值越大，其对应的直流电阻也越大。
c.自谐振频率：可以高达12GHZ。电感值越大，对应其自谐振频率越小
d.额定电流：几十毫安到几百毫安电感值越大，其对应的额定电流越小
2）应用特点
工作频率小于谐振频率时，电感值基本稳定。但一旦工作频率超过谐振频率后，电感值将迅速增大，达到一定程度又会迅速减小；
工作频率低于谐振频率时，电感器件表现出电感性，阻抗随着频率升高而增大；当工作频率高于谐振频率时，电感器件表现出电容性，阻抗随着频率的升高而减小。
因此，在应用中，应选择谐振频率高于工作频率的电感

设计需要注意，高频信号用电感和一般信号用电感额定电流都比较小，而直流电阻相对较大，不建议用于电源滤波
3.电源用电感——主要用于在电源电路里
对于电源用电感而言，谐振频率点一般在几十兆赫兹之内，该类电感是高速电路设计中电源滤波最常用的电感。
注意事项：为电源滤波选用电感时需要注意以下几点：
1.       电感与电容组成低通滤波器时，电感值是一个很关键的参数。电感器件资料标称的电感值，是工作频率低于谐振频率的值。
2.       电感用于电源滤波时，需要考虑由于其直流电阻而引起的压降
3.       用于电源滤波时，电感的工作电流必须小于额定电流。如果工作电流大于额定电流，电感未必损坏，但是电感值可能低于标准值。
设计中需要注意，电感选型时，首先需要根据设计需求选择对应的类型的电感
例如：在高速信号线上使用的电感应该重点考察其Q频率特性曲线；为电源滤波使用的电感，应重点考察其直流电阻、额定电流值等参数。
   在确定电感类型后，在根据设计的具体要求，结合电感的特性曲线，在该类型中选用合适的电感。
理解要点：
1、       电感与电容构成低通滤波器时，需要注意防止噪声点与谐振频率点重合，以免共振。
2、       电感串联在电源电路中，需要考虑电感器件的压降
3、       针对设计需求为电源滤波使用的电感，应重点考察其直流电阻、额定电流值等参数。在高速信号线上使用的电感应该重点考察其Q频率特性曲线。
四、       磁珠的选型及应用
A、磁珠滤波机理
磁珠的外形与电感相似，其主要功能是吸收电源、信号上的噪声干扰。
电容的滤波，其原理是在高频时构建一条通到地平面的低阻抗通道，以便将噪声泄放到底平面。在设计中，一般是采取宁滥勿缺的原则，即布放尽量多的电容，这样做不仅浪费大量宝贵的pcb面积，而且许多电容并没有真正的发挥作用，造成无谓成本的上升。而由电感构成的低通滤波器，甚至无法将噪声放到底平面上，其工作原理是将噪声予以反射，噪声仍在电路里四处游串；低通滤波的另一个缺陷是，其应用频率范围一般都只是在几十兆赫之内，无法有针对性地滤除某些特定频率上的高频噪声。
总结：可以看出两种滤波方式都没有真正的消灭噪声，只是改变噪声的传播路径。
磁珠的作用也是滤波，磁珠在一定频带内能反射噪声，在一定的频带内还能吸收噪声，转化为热量。
B、告诉电路设计中磁珠选型及其应用要点
磁珠的等效电路图：

磁珠的阻抗Z由电阻成分R和电抗成分X共同决定。在低频阶段，X起主导作用，磁珠主要体现为电感性，功能是反射噪声；在高频段，R起到决定作用，磁珠主要体现电阻性，功能是吸收噪声并将噪声转化为热量。这种功能的转化点就是曲线上，R和X相等的频率。
因此，转化点所在频率越高，体现电阻性频带越宽，对低频噪声的吸收能力越弱；转化点所在的频率越低，磁珠体现电阻性频带越宽，对噪声的吸收能力越强。在磁珠选型时，需要仔细分析电路上信号和噪声所处的频带，所选择的磁珠应满足：电路噪声的频带大于磁珠转化频率，以便使磁珠吸收噪声而不是反射噪声；电路的信号频率尽量小于磁珠转化频率，以防有效信号被磁珠衰减。
对于串联了磁珠的线路，磁珠的转化点频率越低，线路振荡和波形失真越小；反之越大。
除了转换点频率外，磁珠选型还需要考虑额定电流、直流电阻和谐振频率等因素。考虑电阻生成的压降问题、选择谐振点高的磁珠。
特别注意：转换点的频率与谐振频率在意义上是不同的。
理解要点：
1、       磁珠的转换点频率越低，线路振荡和波形失真越小，反之则越大
2、       磁珠的工作电流不能大于其额定电流，设计中需要考虑到由于直流电阻的存在而造成压降
3、       当工作频率高于谐振频率时，磁珠表现出电容性
4、       磁珠的转换点频率和谐振频率在意义上有所不同
磁珠和电感的比较
1、       不同点
a.电感和磁珠都可以滤波，但是机理不一样。       电感滤波是将电能转化为磁能，磁能将通过两种方式影响电路：方式一是重新转化为电能，表现为噪声；另一是向外部辐射，表现为EMI（电磁干扰）。而磁珠是将电能转为热能，不会对电路构成二次干扰    磁珠胜！！！
b.电感在低频段滤波性能较好，但在50mhz以上的频段滤波性能较差；磁珠利用其电阻成分充分吸收高频噪声，并将其转换为热量已达到彻底消除高频噪声的目的
c．从EMC（电磁兼容）的层面说，磁珠是将电能转为热能，因此具有非常好的抗辐射功能，是常用的抗EMI器件，常用于用户借口信号线滤波、单板上的高速时钟器件的电源滤波等
d．电感和电容构成低通滤波器时，由于电感和电容都是储能器件，因此两者的配合可能产生自激；磁珠是耗能器件，与电容协同工作，不会产生自激
e．一般而言，电源用于电感的额定电流相对较大，因此电感用于需要同大电流的电源电路上，如用于电源模块滤波；而磁珠一般用于仅用芯片级电源滤波
f.磁珠和电感都具有直流电阻，磁珠的直流电阻相对于同样的滤波性能的电感更小一些，压降更小
2、共同点
      a.额定电流。当电感的工作电流超过其额定电流时，电感值迅速减小，但电感器件未必被损坏；而磁珠的工作电流超过其额定电流，将会对磁珠造成损害。
      b．直流电阻。用于电源线路时，线路上存在一定的电流，如果电感或磁珠本身的直流电阻较大，则会产生一定的压降。因此选型中，都要求选择直流电阻小的器件
      c.频率特性曲线。电感和磁珠的厂家资料都附有器件频率特性曲线图。选型中，需要仔细参考这些曲线，以选择合适的器件

damengshu · 发表于 2021-11-24 14:22

电阻的精度一般容易被忽略的

muzitongxue · 发表于 2021-11-24 14:22

电阻额定功率不够造成单板的潜在缺陷

RNGxiaohu · 发表于 2021-11-24 14:22

高速运行器件的电流和功耗是不断变化的

angern · 发表于 2021-11-24 14:23

在高速电路设计领域，电容器件不是纯粹的电容，而是带有电阻、电感等成分的小电路

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高速电路中电阻、电容、电感、磁珠的选型及应用

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