在什么情況下以移除PCB上的許多去耦電容

您正在設(shè)計最新的子系統(tǒng)，并且有人告訴您盡可能多地放置100 nF去耦電容，盡可能接近所有集成電路，就像我們在上一顆衛(wèi)星上所做的那樣。作為一名設(shè)計工程師，很自然地質(zhì)疑這種解耦的定性方法。它的目的是什么？為什么100 nF？其他價值怎么樣？多少個電容？有多接近芯片和方向？
您是否知道在某些情況下，您可以移除PCB上的許多去耦電容，而不會影響子系統(tǒng)的性能或可靠性？如何優(yōu)化去耦，避免過度設(shè)計設(shè)計，減少BOM，并提供更便宜，更可靠的硬件，正確的第一次？

為什么要去耦？
配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的目的是為其必須提供的每個集成電路提供定義的穩(wěn)壓電壓。然而，在DC-DC轉(zhuǎn)換器和其負(fù)載之間，PDN內(nèi)有許多互連;例如跡線，焊盤，過孔，平面，封裝引線，鍵合線等，如下圖所示：

圖1提供FPGA的PDN及其互連的示例。

如果每個芯片的電流消耗恒定，由于各種互連的串聯(lián)電阻，這將導(dǎo)致PDN內(nèi)的恒定IR壓降。然而，集成電路的瞬態(tài)需求在每個時鐘周期變化，并且PDN的阻抗包括電感和電容元件。通過復(fù)阻抗的快速變化的電流將產(chǎn)生稱為軌道下垂或軌道坍塌的電壓降，如果電容器無法供電，則可能導(dǎo)致紋波過大，調(diào)節(jié)器不穩(wěn)定，時序裕度減小，電壓下降或功能故障它的負(fù)載與所需的電流。下垂會將噪聲注入電源和接地層，從而在PCB邊緣發(fā)出不必要的EMI，而去耦也可以減少這種干擾。
調(diào)節(jié)器對瞬態(tài)電流需求的響應(yīng)要慢于它所提供的器件的運行速度。在PDN內(nèi)旁路或去耦電容器的目的是通過存儲在下垂期間釋放的電荷來消除瞬態(tài)電壓降。去耦的作用是為每個集成電路提供這種電容，在很寬的頻率范圍內(nèi)具有最小的寄生阻抗。整個環(huán)路電感決定了從PDN到負(fù)載的電荷傳輸速度，每個電容器都會引入固有的ESR和ESL，以及不需要的安裝，通孔和平面擴(kuò)展電感。 PDN設(shè)計的目標(biāo)是通過最小化電感來最大化電容的有效性，從而將阻抗保持在所需帶寬上的目標(biāo)值以下。這將供電軌的任何變化限制在可接受的規(guī)定極限，例如， 5％的波紋。點擊航天工業(yè)希望利用需要低電壓，高電流電源軌的超深亞微米集成電路的性能優(yōu)勢。這些芯片在更快的頻率下工作，并且當(dāng)它們更頻繁地切換時，每個周期中消耗的能量也更頻繁地消耗。將所有這些結(jié)合起來意味著更高的電流將在更短的時間內(nèi)發(fā)生變化，并且可以容忍的相對噪聲量將減少。
多少去耦？
在設(shè)計PDN時，目標(biāo)應(yīng)該是選擇最小數(shù)量的去耦電容，以確保阻抗在所需帶寬內(nèi)保持低于目標(biāo)值。
來自直流的低頻在10 kHz時，調(diào)節(jié)器控制著集成電路看到PDN的阻抗。從10到100 kHz，大容量電解電容和鉭電容提供低阻抗去耦路徑，之后PCB級去耦接管。

離散板級去耦的有效性受到很大影響其整體回路電感包括固有ESR和ESL，以及安裝，通孔和平面擴(kuò)展電感。在更高的頻率下，PCB的電源和接地層的平行板電容接管以提供低阻抗路徑。原則上，分布式平面電容提供了提供高達(dá)GHz頻率的低電感的潛力;然而，由于芯片封裝PDN的串聯(lián)電感，PCB級去耦限制在幾百MHz。

通過利用相鄰電源和地平面之間的嵌入電容，即通過增加平面的相對面積通過減小它們的間隔和/或通過使用具有更高相對介電常數(shù)的電介質(zhì)，可以將更寬帶寬上的平面間電容的有效性提高到可以去除許多物理的，離散的去耦電容器的水平。電介質(zhì)厚度影響平面擴(kuò)展電感，并且最小化這種間隔降低了電容器的整體安裝電感，使其能夠進(jìn)一步遠(yuǎn)離其負(fù)載。然而，在實踐中，ESA的ECSS-Q-ST-70-12C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最小間隙為100μm（3.9密耳），這限制了嵌入式解耦對ESA任務(wù)的有效性。
高于幾百MHz，芯片看到的阻抗由片內(nèi)電容（柵極和電源接地金屬化）決定，而板級去耦將無法將其降低到封裝的固有PDN電感以下。 BR>對于要去耦的每個電源軌，可以通過根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最大容許紋波以及瞬態(tài)電流計算目標(biāo)阻抗來啟動PDN的設(shè)計：

對于許多組件，僅列出最大功耗，并且可以使用多種方法來推斷峰值瞬態(tài)需求，例如 0.5 * Imax 。一些FPGA供應(yīng)商在地點和路線之后或者從功率預(yù)測電子表格中提供更多的定量估計。
我們還可以通過假設(shè)去耦提供在某段時間內(nèi)必須流動的所有電荷來估算所需的電容總量，Δt：

例如，如果ADC從3.3V電壓軌消耗2W且指定紋波為5％，并且穩(wěn)壓器在不到10μs內(nèi)無法響應(yīng)電壓變化，那么我們需要提供37μF的去耦。低于此值，電容器上的電壓下降將超過允許的5％紋波。

對于每個電壓軌，還可以估算并聯(lián)所需的最小電容數(shù)，以滿足目標(biāo)阻抗直至最大頻率：

等式表明，為了減少電容器的數(shù)量，必須減少ESL。每個電容器的環(huán)路電感越低，在更高頻率下實現(xiàn)目標(biāo)阻抗所需的電感越少。具有較低固有ESL的較小電容器是可用的，例如， AVX將在今年晚些時候提供符合空間要求的0402，并且應(yīng)盡一切努力減少整體回路電感，即附件，通孔和平面擴(kuò)展電感的幾何形狀。
設(shè)計人員通常只會增加電容器的數(shù)量希望通過并聯(lián)添加更多電容來降低環(huán)路電感。然而，當(dāng)電容器緊密間隔時，由于通孔之間的互感，在平面和電容器焊盤之間看到的電感不會降低為1/N，這是標(biāo)準(zhǔn)做法。