电容放电的研究-基于霍尔传感器

写在前面：

通过控制MOS上、下管的导通与关闭，让电容重复的工作于充电、放电状态，观察电容瞬间放电时的最大电流值。通过仿真软件，研究不同形式的大面积铺铜(PADS的术语：pour)所带来的电容放电的最大电流值。该电路的目地和意义在于研究并验证在同一种MOS管和电容值下(不考虑器件彼此细微的参数差异所引起的结果)，仅因pcb layout的差异而带来的不同的放电电流值。由仿真软件计算的结果来提供改进方向，并实物制造，最终观察结果。

该结果同时也阐明了数字IC工作时所产生的噪音，是如何传递并影响到其它器件，是如何导致电子产品辐射超标(IEC61000 及GB/T 17626标准)

   基本电路原理图            对电容充电                   电容放电

如下为电容充电、放电的理论和放电电流的计算公式；

欧姆定律I=U/R，适合一切电路，无论暂态还是稳态。故在电容端电压一定的情况下，想要提升放电电流，必得降低环路总电阻。环路总电阻包括：MOS管的导通电阻、电容的ESR，PCB的铜箔走线电阻。MOS管和电容是固定死的。故，要想获得更大的瞬间放电电流，毫无疑问，要想办法如何去降低整个PCB铜箔走线的电阻。增加铜箔的厚度，固然可以降低电阻，但那要极大的增加成本，不是本文要研究的。本文研究的是靠仿真软件来优化电容放电时电流的走势来达到降低电阻值。实物制造及测试的结果也证实如此。

对该电容大电流放电走线的研究，带来了一个意外的收获：让我们更清晰的看到了，PCB上的器件噪音是如何产生的？而这噪音，不单单会干扰到同一pcb上的其它器件①，还是引起了电路板辐射的关键因素。(如何制作一个4G/5G全向pcb天线；)

准备工作：电流传感器(探头)

为了能在示波器上准确、实时的显示电流变化的瞬时曲线，需要一个电流探头，当然可以用示波器原配件。价格上的考虑，本次我们选用一个霍尔电流传感器，去搭建成测试平台。

不同的厂家、不同器件，不同的设计思路，会有不同的响应时间和精度，现在要从现有的开环、闭环的霍尔电流传感器中，挑选出符合要求的器件：响应时间极短(<1us @ di/dt > 50A/us，精度优于0.2%)。如下是比较有代表意义的几款器件的外观和响应时间。

响应时间<0.3us                          产品外观图(CN2A H00)

响应时间<1us                             产品外观图(CM4A H00)

响应时间<1us                                     产品外观图(CR2A)

开环，响应时间<5us                              产品外观图(HS1V)

方便测量上的考虑，最终选择了如下款高精度、闭环、电流输出式的霍尔电流传感器件，型号为：CM4A H00，电流测量范围是1000A。再来验证一下，使用CM4A对电容充电时候的原边/副边的对应波形，见下图：

黄线：原边电阻0.01R的无感电阻两端波形；

蓝线：CM4A输出的波形，负载为47R 插件电阻；

因为电源内阻和容量原因，无法提供很大的输出电流，所以是一个振荡的曲线；波形来看，匹配的很好，这说明，采用CM4A来观察电容放电的波形，其数据，可信。

如何获得更大的放电电流

为了确保测量的准确性，基于所选电容的容值(100u)和ESR值，估算出电容充电到最高值的时间。计算公式表明是5*RC，（公式中，R=充电回路的总电阻，C=电容的容值），大约为0.5ms。结合不断测试，最终确定为：每次对电容的充电时间为至少80ms，确保各种电容(<2200u)都能完全充足。

分析pcb layout对电容放电的影响，这需要通过对pcb文件做电磁仿真的电流云图去实现，最终是找到了在同一种MOS，同一个品牌和容值下，同一个电压下和温度条件下，有一种最大放电电流。

该设计一共进行了三次，实物制造了2次，用于评估。

现在分别展现第三版、第二版、第一版本的pcb layout及对layout所电流密度的仿真结果；

该下面2张图片，展示了第三版；计划的改进。

第三版 Max=3.807x10⁵A/m²

该下面2张图片，展示了第二版；

第二版Max= 3.426x10⁵ A/m²

第二版电容电压为12V时候，最大放电电流可以到87A

该下面2张图片，展示了第一版；

电流密度 MAX=1.222X10¹⁰ A/M²

第一版电容电压为12V时候，最大放电电流可以到104A

实际测试来看，同一种IRF3205的MOS，同为100U/100V，固态电容。从分析电流密度图来看，第一版应该要比第二版要好，实际测试情况也是如此（见下图中，MAX: 431mV / 506mV），即：7us达到的最大值，第一版要好过第二版，计算来看，大约是好506/431=1.17倍。下述的测量，基于CM4A  H00器件和RIGOL  100Mhz的示波器，电容电压为12V；

第二版的电流放电波形                     第一版的电流放电波形

现在，基于第二版的电路，研究几种不同的电容放电和充电时的波形；

分别是固态电容的：100u/100v、100u/50v、220u/35v、 120u/25v、180u/63v；铝电解100u/25v，CBB  4.7u/100v 及100u/100v+180u/63v+4.7u/100v CBB(三个电容并联)。电源电压：约13.5V

180u/63v

100u/100v

100u/50v

220u/35v

120u/25v

铝电解100u/25v

4.7u/100v CBB

100u/100v+180u/63v+4.7u/100v CBB(三个电容并联)

最后，测试固态电容2200u/35放电的瞬间最大电流，能到多少，见下图；

上述的是放电的情况，那么充电时呢？(放入充电时候无感电阻和霍尔输出的照片)

从上述的图中可以看到，单个电容从开始放电时刻，到达放电峰值，都是大约7us，这与理论计算吻合的很好；

但是并联电容，则大约会是到10us 以上，如此看来，对于MCU/GPU等芯片，放置在其Vcc - Gnd之间的耦合电容，则为单一电容为好。

有关地弹的问题

对上述的研究又带来了一个新的课题：电路的工作噪音，这是我们通常所说的 地弹。

我们还是来看第一版的，因其没有做过电流密度等仿真，虽然无意中获得了更高的放电电流，但其有更高的噪音。

这是第一版的pcb；根据该文件所仿真的top / bottom层的电流密度图，和使用电压探头分别对下述几处测量其噪音电压值，

说明：为了避免噪音通过探头线引入到示波器件，改用了有BNC头的RG58射频传输线

对比测试第二版，其噪音图片分别如下（撇开放电电容和MOS管处，那里肯定是最大电流处）

（由于篇幅有限，如需完整文章，请联系作者）