電容去耦原理(解釋十分透徹)

1、電容退耦原理 采用電查退耦是解決電源噪聲問題的主要方法。這種方法對(duì)提高瞬態(tài)電流的響應(yīng)速度，降 低電源分配系統(tǒng)的阻抗都非常有效。對(duì)于電容退耦，很多資料中都有涉及，但是闡述的角度不同。有些是從局部電荷存儲(chǔ)（即 儲(chǔ)能）的角度來說明，有些是從電源分配系統(tǒng)的阻抗的角度來說明，還有些資料的說明更 為混亂，一會(huì)提儲(chǔ)能，一會(huì)提阻抗，因此很多人在看資料的時(shí)候感到有些迷惑。其實(shí)，這 兩種提法，本質(zhì)上是相同的，只不過看待問題的視角不同而已。為了讓大家有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，本文分別介紹一下這兩種解釋。4.1 從儲(chǔ)能的角度來說明電容退耦原理。在制作電路板時(shí)，通常會(huì)在負(fù)載芯片周圍放置很多電容，這些電容就起到電源退耦作用 其原理

2、可用圖1說明。圖1去耦電路當(dāng)負(fù)載電流不變時(shí)，其電流由穩(wěn)壓電源部分提供，即圖中的I0,方向如圖所示。此時(shí)電容兩端電壓與負(fù)載兩端電壓一致，電流Ic為0,電容兩端存儲(chǔ)相當(dāng)數(shù)量的電荷，其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，由于負(fù)載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極 快，必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負(fù)載電 流的變化，因此，電流I0不會(huì)馬上滿足負(fù)載瞬態(tài)電流要求，因此負(fù)載芯片電壓會(huì)降低。但 是由于電容電壓與負(fù)載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對(duì)于電容來說電壓變化必 然產(chǎn)生電流，此時(shí)電容對(duì)負(fù)載放電，電流Ic不再為0,為負(fù)載芯片提供電流。根據(jù)電容等式：（公式1）

3、只要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿足負(fù)載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負(fù)載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里，相當(dāng)于電容預(yù) 先存儲(chǔ)了一部分電能，在負(fù)載需要的時(shí)候釋放出來，即電容是儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能電容的存在使負(fù)載消耗的能量得到快速補(bǔ)充，因此保證了負(fù)載兩端電壓不至于有太大變化，此時(shí)電容 擔(dān)負(fù)的是局部電源的角色。從儲(chǔ)能的角度來理解電源退耦，非常直觀易懂，但是對(duì)電路設(shè)計(jì)幫助不大。從阻抗的角度 理解電容退耦，能讓我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)有章可循。實(shí)際上，在決定電源分配系統(tǒng)的去耦電容 量的時(shí)候，用的就是阻抗的概念。4.2 從阻抗的角度來理解退耦原理。將圖1中的負(fù)載芯片拿掉，如圖 2所

4、示。從AB兩點(diǎn)向左看過去，穩(wěn)壓電源以及電容退耦 系統(tǒng)一起，可以看成一個(gè)復(fù)合的電源系統(tǒng)。這個(gè)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)是：不論 AB兩點(diǎn)間負(fù)載 瞬態(tài)電流如何變化，都能保證 AB兩點(diǎn)間的電壓保持穩(wěn)定，即 AB兩點(diǎn)間電壓變化很小。圖片2電源部分我們可以用一個(gè)等效電源模型表示上面這個(gè)復(fù)合的電源系統(tǒng)，如圖3圖3等效電源對(duì)于這個(gè)電路可寫出如下等式：山（公式2）我們的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是，不論 AB兩點(diǎn)間負(fù)載瞬態(tài)電流如何變化，都要保持 AB兩點(diǎn)間電壓 變化范圍很小，根據(jù)公式 2,這個(gè)要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗 Z要足夠低。在圖2中，我 們是通過去耦電容來達(dá)到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。

5、另一方面，從電路原理的角度來說，可得到同樣結(jié)論。電容對(duì)于交流信號(hào) 呈現(xiàn)低阻抗特性，因此加入電容，實(shí)際上也確實(shí)降低了電源系統(tǒng)的交流阻抗。從阻抗的角度理解電容退耦，可以給我們?cè)O(shè)計(jì)電源分配系統(tǒng)帶來極大的方便。實(shí)際上，電 源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最根本的原則就是使阻抗最小。最有效的設(shè)計(jì)方法就是在這個(gè)原則指導(dǎo) 下產(chǎn)生的。正確使用電容進(jìn)行電源退耦，必須了解實(shí)際電容的頻率特性。理想電容器在實(shí)際中是不存在的，這就是為什么經(jīng)常聽到電容不僅僅是電容”的原因。實(shí)際的電容器總會(huì)存在一些寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)在低頻時(shí)表現(xiàn)不明顯，但是高頻情況下，其重要性可能會(huì)超過容值本身。圖 4是實(shí)際電容器的 SPICE模型，圖中，ESR代表等

6、 效串聯(lián)電阻，ESL代表等效串聯(lián)電感或寄生電感，C為理想電容。I ESR ? ESL T C圖4電容模型等效串聯(lián)電感（寄生電感）無法消除，只要存在引線，就會(huì)有寄生電感。這從磁場(chǎng)能量變 化的角度可以很容易理解，電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)能量發(fā)生變化，但是不可能發(fā)生能量躍 變，表現(xiàn)出電感特性。寄生電感會(huì)延緩電容電流的變化，電感越大，電容充放電阻抗就越 大，反應(yīng)時(shí)間就越長。等效串聯(lián)電阻也不可消除的，很簡單，因?yàn)橹谱麟娙莸牟牧喜皇浅?導(dǎo)體。討論實(shí)際電容特性之前，首先介紹諧振的概念。對(duì)于圖4的電容模型，其復(fù)阻抗為:二酸R + j 2兀您就一一I）（公式3）當(dāng)頻率很低時(shí)，24郎L遠(yuǎn)小于2支近,整個(gè)電容器表現(xiàn)為電

7、容性，當(dāng)頻率很高時(shí),j2%值迎大于2笈.以，電容器此時(shí)表現(xiàn)為電感性，因此 高頻時(shí)電容不再是電容”，而呈現(xiàn)為電感。當(dāng)/0 = 2 不坦甌=時(shí)，初的席展融輕矢量與感性阻抗之差多叮0,電容的總阻抗最小，表現(xiàn)為純電阻特性。該頻率點(diǎn)就是電容的自諧振頻率。自諧振頻率點(diǎn)是區(qū)分電容是容性還是感性的分界點(diǎn)，高于諧振頻率時(shí)，電容不再是電容”，因此退耦作用將 下降。因此，實(shí)際電容器都有一定的工作頻率范圍，只有在其工作頻率范圍內(nèi)，電容才具有很好的退耦作用，使用電容進(jìn)行電源退耦時(shí)要特別關(guān)注這一點(diǎn)。寄生電感(等效串聯(lián)電感)是電容器在高于自諧振頻率點(diǎn)之后退耦功能被消弱的根本原因。圖 5顯示了一個(gè)實(shí)際的0805封裝0.1uF

8、陶瓷電容，其阻抗隨頻率變化的曲線。Impedance & ESR vs Frequency PlotLOOOOt-L 00. O 1 I OIdCap 1 lz|Gap 1ESRio too loco tooooFrequency (JWz)圖5電容阻抗特性電容的自諧振頻率值和它的電容值及等效串聯(lián)電感值有關(guān)，使用時(shí)可查看器件手冊(cè)，了解該項(xiàng)參數(shù)，確定電容的有效頻率范圍。下面列出了AVX生產(chǎn)的陶瓷電容不同封裝的各項(xiàng)參數(shù)值。封裝ESL (nH) ESR(歐姆)04020.40.0606030.50.09808050.60.079120610.1212100.90.1218121.40.2032220

9、1.60.285電容的等效串聯(lián)電感和生產(chǎn)工藝和封裝尺寸有關(guān)，同一個(gè)廠家的同種封裝尺寸的電容，其 等效串聯(lián)電感基本相同。通常小封裝的電容等效串聯(lián)電感更低，寬體封裝的電容比窄體封 裝的電容有更低的等效串聯(lián)電感。既然電容可以看成 RLC串聯(lián)電路，因此也會(huì)存在品質(zhì)因數(shù)，即 Q值，這也是在使用電容時(shí) 的一個(gè)重要參數(shù)。電路在諧振時(shí)容抗等于感抗，所以電容和電感上兩端的電壓有效值必然相等，電容上的電壓有效值UC=I*1/coC=U/co CR=QU品質(zhì)因數(shù) Q=1/w CR這里I是電路的總電流。電感上的 電壓有效值 UL=w LI=coL*U/R=QU 品質(zhì)因數(shù) Q=w L/R。因?yàn)椋篣C=UL 所以 Q=1

10、/w CR=w L/R 電容上的電壓與外加信號(hào)電壓U之比UC/U= (1*1/RI=1/ coCR=Q電感上的電壓與外加信號(hào)電壓 U之比UL/U=co LI/RI= wL/R=W上面分析可見，電路的品質(zhì)因數(shù)越高，電感或 電容上的電壓比外加電壓越高。圖6 Q值的影響Q值影響電路的頻率選擇性。當(dāng)電路處于諧振頻率時(shí)，有最大的電流，偏離諧振頻率時(shí)總 電流減小。我們用I/I0表示通過電容的電流與諧振電流的比值，即相對(duì)變化率。表示頻率偏離諧振頻率程度。圖 6顯示了 I/I0與 由關(guān)系曲線。這里有三條曲線，對(duì)應(yīng)三個(gè)不同的Q值，其中有Q1Q2Q3o從圖中可看出當(dāng)外加信號(hào)頻率3偏離電路的諧振頻率 3。時(shí)，I/I

11、0均小于1。Q值越高在一定的頻偏下電流下降得越快，其諧振曲線越尖銳。也就 是說電路的選擇性是由電路的品質(zhì)因素Q所決定的，Q值越高選擇性越好。在電路板上會(huì)放置一些大的電容，通常是坦電容或電解電容。這類電容有很低的 ESL但 是ESR很高，因此Q值很低，具有很寬的有效頻率范圍，非常適合板級(jí)電源濾波。當(dāng)電容安裝到電路板上后，還會(huì)引入額外的寄生參數(shù)，從而引起諧振頻率的偏移。充分理 解電容的自諧振頻率和安裝諧振頻率非常重要，在計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，實(shí)際使用的是安裝諧 振頻率，而不是自諧振頻率，因?yàn)槲覀冴P(guān)注的是電容安裝到電路板上之后的表現(xiàn)。電容在電路板上的安裝通常包括一小段從焊盤拉出的引出線，兩個(gè)或更多的過孔。

12、我們知道，不論引線還是過孔都存在寄生電感。寄生電感是我們主要關(guān)注的重要參數(shù)，因?yàn)樗鼘?duì) 電容的特性影響最大。電容安裝后，可以對(duì)其周圍一小片區(qū)域有效去耦，這涉及到去耦半徑問題，本文后面還要詳細(xì)講述?，F(xiàn)在我們考察這樣一種情況，電容要對(duì)距離它2厘米處的一點(diǎn)去耦，這時(shí)寄生電感包括哪幾部分。首先，電容自身存在寄生電感。從電容到達(dá)需要去耦區(qū)域的路徑上包括焊盤、一小段引出線、過孔、2厘米長的電源及地平面，這幾個(gè)部分都存在寄生電感。相比較而言，過孔的寄生電感較大?？梢杂霉浇朴?jì)算一個(gè)過孔 的寄生電感有多大。公式為f吟1二30助也7尸1其中：L是過孔的寄生電感，單位是 nHo h為過孔的長度，和板厚有關(guān)，單位是

13、英寸。d為過孔的直徑，單位是英寸。下面就計(jì)算一個(gè)常見的過孔的寄生電感，看看有多大，以便有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。設(shè)過孔的長度為 63mil （對(duì)應(yīng)電路板的厚度 1.6毫米，這一厚度的電路板很常見），過孔直徑 8mil,根據(jù)上面公式得：L = 5.08x0.063= 14242 nHI 0.008 ）這一寄生電感比很多小封裝電容自身的寄生電感要大，必須考慮它的影響。過孔的直徑越大，寄生電感越小。過孔長度越長，電感越大。下面我們就以一個(gè)0805封裝0.01uF電容為例，計(jì)算安裝前后諧振頻率的變化。參數(shù)如下：容值：C=0.01uFo電容自身等效串聯(lián)電感：ESL=0.6 nH。安裝后增加的寄生電感：Lmount

14、=1.5nH。電容的自諧振頻率:=.64 975 釐收安裝后的總寄生電感：0.6+1.5=2.1nH。注意，實(shí)際上安裝一個(gè)電容至少要兩個(gè)過孔，寄生電感是串聯(lián)的，如果只用兩個(gè)過孔，則過孔引入的寄生電感就有3nHo但是在電容的每端都并聯(lián)幾個(gè)過孔，可以有效減小總的寄生電感量，這和安裝方法有關(guān)。安裝后的諧振頻率為：=1=,1 = 34.73MHz25/2.0.0 W可見，安裝后電容的諧振頻率發(fā)生了很大的偏移，使得小電容的高頻去耦特性被消弱。在 進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以這個(gè)安裝后的諧振頻率計(jì)算，因?yàn)檫@才是電容在電路板上的實(shí) 際表現(xiàn)。安裝電感對(duì)電容的去耦特性產(chǎn)生很大影響，應(yīng)盡量減小。實(shí)際上，如何最大程度的

15、減小安 裝后的寄生電感，是一個(gè)非常重要的問題從電源系統(tǒng)的角度進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)先插一句題外話，很多人在看資料時(shí)會(huì)有這樣的困惑，有的資料上說要對(duì)每個(gè)電源引腳加 去耦電容，而另一些資料并不是按照每個(gè)電源引腳都加去偶電容來設(shè)計(jì)的，只是說在芯片 周圍放置多少電容，然后怎么放置，怎么打孔等等。那么到底哪種說法及做法正確呢？我 在剛接觸電路設(shè)計(jì)的時(shí)候也有這樣的困惑。其實(shí)，兩種方法都是正確的，只不過處理問題 的角度不同?？催^本文后，你就徹底明白了。上一節(jié)講了對(duì)引腳去耦的方法，這一節(jié)就來講講另一種方法，從電源系統(tǒng)的角度進(jìn)行去耦 設(shè)計(jì)。該方法本著這樣一個(gè)原則：在感興趣的頻率范圍內(nèi)，使整個(gè)電源分配系統(tǒng)阻抗最 低。其方法

16、仍然是使用去耦電容。電源去耦涉及到很多問題：總的電容量多大才能滿足要求？如何確定這個(gè)值？選擇那些電 容值？放多少個(gè)電容？選什么材質(zhì)的電容？電容如何安裝到電路板上？電容放置距離有什 么要求？下面分別介紹。著名的Target Impedance （目標(biāo)阻抗）目標(biāo)阻抗（Target Impedance） 定義為：皿皿（公式4）其中： 如為要進(jìn)行去耦的電源電壓等級(jí)，常見的有 5V、3.3V、1.8V、1.26V、1.2V等。 生小館為允許的電壓波動(dòng)，在電源噪聲余量一節(jié)中我們已經(jīng)闡述過了，典型值為2.5%?！坝?為負(fù)載芯片的最大瞬態(tài)電流變化量。該定義可解釋為：能滿足負(fù)載最大瞬態(tài)電流供應(yīng)，且電壓變化不超過

17、最大容許波動(dòng)范圍的 情況下，電源系統(tǒng)自身阻抗的最大值。超過這一阻抗值，電源波動(dòng)將超過容許范圍。如果 你對(duì)阻抗和電壓波動(dòng)的關(guān)系不清楚的話，請(qǐng)回顧電容退耦的兩種解釋”一節(jié)。對(duì)目標(biāo)阻抗有兩點(diǎn)需要說明:1目標(biāo)阻抗是電源系統(tǒng)的瞬態(tài)阻抗，是對(duì)快速變化的電流表現(xiàn)出來的一種阻抗特性。2目標(biāo)阻抗和一定寬度的頻段有關(guān)。在感興趣的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，電源阻抗都不能超過這 個(gè)值。阻抗是電阻、電感和電容共同作用的結(jié)果，因此必然與頻率有關(guān)。感興趣的整個(gè)頻 率范圍有多大？這和負(fù)載對(duì)瞬態(tài)電流的要求有關(guān)。顧名思義，瞬態(tài)電流是指在極短時(shí)間內(nèi) 電源必須提供的電流。如果把這個(gè)電流看做信號(hào)的話，相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào)，具有很寬的 頻譜，這一頻

18、譜范圍就是我們感興趣的頻率范圍。如果暫時(shí)不理解上述兩點(diǎn)，沒關(guān)系，繼續(xù)看完本文后面的部分，你就明白了。需要多大的電容量有兩種方法確定所需的電容量。第一種方法利用電源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載計(jì)算電容量。這種方法沒 有考慮ESL及ESR的影響，因此很不精確，但是對(duì)理解電容量的選擇有好處。第二種方法 就是利用目標(biāo)阻抗（Target Impedance）來計(jì)算總電容量，這是業(yè)界通用的方法，得到了 廣泛驗(yàn)證。你可以先用這種方法來計(jì)算，然后做局部微調(diào)，能達(dá)到很好的效果，如何進(jìn)行 局部微調(diào)，是一個(gè)更高級(jí)的話題。下面分別介紹兩種方法。方法一：利用電源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載計(jì)算電容量設(shè)負(fù)載（容性）為 30pF,要在2ns內(nèi)從0V驅(qū)動(dòng)到3.

19、3V,瞬態(tài)電流為：,rW r 3 3，一 =3。尸乂一 二 4攵5%4出）拈（公式 5）如果共有36個(gè)這樣的負(fù)載需要驅(qū)動(dòng)，則瞬態(tài)電流為：36*49.5mA=1.782A。假設(shè)容許電壓波動(dòng)為：3.3*2.5%=82.5 mV,所需電容量為C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825V=43.2nF說明：所加的電容實(shí)際上作為抑制電壓波紋的儲(chǔ)能元件，該電容必須在2ns內(nèi)為負(fù)載提供1.782A的電流，同時(shí)電壓下降不能超過82.5 mV,因此電容彳t應(yīng)根據(jù) 82.5 mV來計(jì)算。記住：電容放電給負(fù)載提供電流，其本身電壓也會(huì)下降，但是電壓下降的量不能超過82.5mV （容許的電壓波紋）。這種計(jì)算

20、沒什么實(shí)際意義，之所以放在這里說一下，是為了讓 大家對(duì)去耦原理認(rèn)識(shí)更深。方法二：利用目標(biāo)阻抗計(jì)算電容量（設(shè)計(jì)思想很嚴(yán)謹(jǐn)，要吃透）為了清楚的說明電容量的計(jì)算方法，我們用一個(gè)例子。要去耦的電源為1.2V,容許電壓波動(dòng)為2.5%,最大瞬態(tài)電流 600mA,第一步：計(jì)算目標(biāo)阻抗9x第二步：確定穩(wěn)壓電源頻率響應(yīng)范圍。和具體使用的電源片子有關(guān)，通常在 DC到幾百kHz之間。這里設(shè)為 DC到100kHz。在 100kHz以下時(shí)，電源芯片能很好的對(duì)瞬態(tài)電流做出反應(yīng)，高于 100kHz時(shí)，表現(xiàn)為很高的 阻抗，如果沒有外加電容，電源波動(dòng)將超過允許的 2.5%。為了在高于100kHz時(shí)仍滿足電 壓波動(dòng)小于2.5%要

21、求，應(yīng)該加多大的電容？第三步：計(jì)算bulk電容量 當(dāng)頻率處于電容自諧振點(diǎn)以下時(shí)，電容的阻抗可近似表示為:頻率f越高，阻抗越小，頻率越低，阻抗越大。在感興趣的頻率范圍內(nèi)，電容的最大阻抗 不能超過目標(biāo)阻抗，因此使用 100kHz計(jì)算（電容起作用的頻率范圍的最低頻率，對(duì)應(yīng)電 容最高阻抗）。八、一= 31.831第四步：計(jì)算bulk電容的最高有效頻率當(dāng)頻率處于電容自諧振點(diǎn)以上時(shí)，電容的阻抗可近似表示為：% = 2 樂于 xESL頻率f越高，阻抗越大，但阻抗不能超過目標(biāo)阻抗。假設(shè)ESL為5nH,則最高有效頻率九=名媽_ = 1 6肪法為：2施SL。這樣一個(gè)大的電容能夠讓我們把電源阻抗在100kHz到1.

22、6MHz之間控制在目標(biāo)阻抗之下。當(dāng)頻率高于1.6MHz時(shí)，還需要額外的電容來控制電源系統(tǒng)阻抗。第五步：計(jì)算頻率高于 1.6MHz時(shí)所需電容如果希望電源系統(tǒng)在 500MHz以下時(shí)都能滿足電壓波動(dòng)要求，就必須控制電容的寄生電感 量。必須滿足酰主居穌,所以有：0.016假設(shè)使用 AVX公司的0402封裝陶瓷電容，寄生電感約為0.4nH,加上安裝到電路板上后過孔的寄生電感（本文后面有計(jì)算方法）假設(shè)為 0.6nH,則總的寄生電感為1 nHo為了滿足總電感不大于 0.16 nH的要求，我們需要并聯(lián)的電容個(gè)數(shù)為：1/0.016=62.5個(gè)，因此需要63個(gè)0402電容。為了在1.6MHz時(shí)阻抗小于目標(biāo)阻抗，需

23、要電容量為：C = 1.9894 uF因此每個(gè)電容的電容量為1.9894/63=0.0316 uF。綜上所述，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，我們選擇1個(gè)31.831 uF的大電容和63個(gè)0.0316 uF的小電容即可滿足要求。相同容值電容的并聯(lián)使用很多電容并聯(lián)能有效地減小阻抗。63個(gè)0.0316 uF的小電容(每個(gè)電容 ESL為1 nH)并聯(lián)的效果相當(dāng)于一個(gè)具有0.159 nH ESL的1.9908 uF電容。Frequency (Hz)圖10多個(gè)等值電容并聯(lián)單個(gè)電容及并聯(lián)電容的阻抗特性如圖10所示。并聯(lián)后仍有相同的諧振頻率，但是并聯(lián)電容在每一個(gè)頻率點(diǎn)上的阻抗都小于單個(gè)電容。但是，從圖中我們看到，阻抗曲線呈 V字型，隨著頻率偏離諧振點(diǎn)，其阻抗仍然上升的很 快。要在很寬的頻率范圍內(nèi)滿足目標(biāo)阻抗要求，需要并聯(lián)大量的同值電容。這不是一種好的方法，造成極大地浪費(fèi)。有些人喜歡在電路板上放置很多0.1uF電容，如果你設(shè)計(jì)的電路工作頻率很高，信號(hào)變化很快，那就不要這樣做，最好使用不同容值的組合來構(gòu)成相對(duì) 平坦的阻抗曲線。不同容值電容的并聯(lián)與反諧振(Anti-Resonance)容值不同的電容具有不同的諧振點(diǎn)。圖11畫出了兩個(gè)電容阻抗隨頻率變化的曲線，匚3=工r