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?chē)胖煤芏嚯娙?,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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn),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(mǎn)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(xiàn)。
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(xiàn)。這里有三條曲線(xiàn),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(xiàn)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(lèi)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(xiàn),兩個(gè)或更多的過(guò)孔。我們知道,不論引線(xiàn)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?chē)恍∑瑓^(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(xiàn)、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??梢杂霉浇朴?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(huà),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?chē)胖枚嗌匐娙?,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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原文標(biāo)題:【電容器經(jīng)典實(shí)用設(shè)計(jì)】電容去耦原理透徹分析與設(shè)計(jì)參考(1)
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