電容退耦原理采用電容退耦是解決電源噪聲問(wèn)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(lái)說(shuō)明，有些是從電源分配系統(tǒng)的阻抗的角度來(lái)說(shuō)明，還有些資料的說(shuō)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(guò)看待問(wèn)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。從儲(chǔ)能的角度來(lái)說(shuō)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。其原理可用圖1 說(shuō)明。

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(wú)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(lái)說(shuō)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：

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(lái)，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(lái)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。從阻抗的角度來(lái)理解退耦原理。將圖1 中的負(fù)載芯片拿掉，如圖2 所示。從AB 兩點(diǎn)向左看過(guò)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。

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

對(duì)于這個(gè)電路可寫(xiě)出如下等式：

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(guò)去耦電容來(lái)達(dá)到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說(shuō)去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。另一方面，從電路原理的角度來(lái)說(shuō)，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(lái)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(tīng)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(guò)容值本身。圖4 是實(shí)際電容器的SPICE 模型，圖中，ESR 代表等效串聯(lián)電阻，ESL 代表等效串聯(lián)電感或寄生電感，C 為理想電容。

等效串聯(lián)電感（寄生電感）無(wú)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(zhǎng)。等效串聯(lián)電阻也不可消除的，很簡(jiǎn)單，因?yàn)橹谱麟娙莸牟牧喜皇浅瑢?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：

當(dāng)頻率很低時(shí)，2πFELS遠(yuǎn)小于2πFC/1，整個(gè)電容器表現(xiàn)為電容性，當(dāng)頻率很高時(shí)，2πFELS大于2πFC/1，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)以下公式滿足時(shí)：

此時(shí)容性阻抗矢量與感性阻抗之差為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 陶瓷電容，其阻抗隨頻率變化的曲線。

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必然相等，電容上的電壓有效值UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU，品質(zhì)因數(shù)Q=1/ωCR，這里是電路的總電流。電感上的電壓有效值UL=ωLI=ωL*U/R=QU，品質(zhì)因數(shù) Q=ωL/R。因?yàn)椋篣C=UL 所以Q=1/ωCR=ωL/R。電容上的電壓與外加信號(hào)電壓U 之比UC/U=（I*1/ωC）/RI=1/ωCR=Q。電感上的電壓與外加信號(hào)電壓U 之比UL/U=ωLI/RI=ωL/R=Q。從上面分析可見(jiàn)，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。

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(guò)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ω/ω0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Q1>Q2>Q3。從圖中可看出當(dāng)外加信號(hào)頻率 ω 偏離電路的諧振頻率ω0時(shí)，I/I0 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(shuō)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(pán)拉出的引出線，兩個(gè)或更多的過(guò)孔。我們知道，不論引線還是過(guò)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(wèn)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(pán)、一小段引出線、過(guò)孔、2 厘米長(zhǎng)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(guò)孔的寄生電感較大。可以用公式近似計(jì)算一個(gè)過(guò)孔的寄生電感有多大。公式為：

其中：L 是過(guò)孔的寄生電感，單位是nH。h 為過(guò)孔的長(zhǎng)度，和板厚有關(guān)，單位是英寸。d為過(guò)孔的直徑，單位是英寸。下面就計(jì)算一個(gè)常見(jiàn)的過(guò)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(guò)孔的長(zhǎng)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(jiàn)），過(guò)孔直徑 8mil，根據(jù)上面公式得：

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(guò)孔的直徑越大，寄生電感越小。過(guò)孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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=0.01uF。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=1.5nH。電容的自諧振頻率：

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(guò)孔，寄生電感是串聯(lián)的，如果只用兩個(gè)過(guò)孔，則過(guò)孔引入的寄生電感就有3nH。但是在電容的每一端都并聯(lián)幾個(gè)過(guò)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：

可見(jiàn)，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，如何最大程度的減小安裝后的寄生電感，是一個(gè)非常重要的問(wèn)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(shuō)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(lái)設(shè)計(jì)的，只是說(shuō)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(shuō)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(guò)處理問(wèn)題的角度不同。

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