去耦電容靠近用電器件電源管腳的原因

通常，電源完整性是一個整體的概念，"完整性"這個詞傳達(dá)了以下幾個方面的含義：

(1) 全面性和全面考慮：完整性意味著考慮到系統(tǒng)中的各個方面，包括電源的設(shè)計、電源線路、電源傳遞、電源管理等。它要求在整個系統(tǒng)中都要有足夠的關(guān)注，確保電源在所有關(guān)鍵部分都能夠正常工作。

(2) 健壯性：完整性還涵蓋了系統(tǒng)對于外部擾動和變化的適應(yīng)能力。一個具有良好電源完整性的系統(tǒng)能夠在電壓波動、電流變化、電磁干擾等不利因素的影響下，仍能保持其功能的穩(wěn)定性。

(3) 系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性：這個詞語強(qiáng)調(diào)了電源系統(tǒng)作為整體的穩(wěn)定性。這包括了在供電方面的可靠性，以及確保整個系統(tǒng)在正常和異常情況下都能夠保持其性能水平。

(4) 功能的保持：完整性還涉及到確保系統(tǒng)的各個功能在各種條件下都能夠得以維持。這包括了對電子設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)或其他依賴電源的設(shè)備而言，電源完整性直接關(guān)系到這些設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

電源的完整性是為確認(rèn)電源來源及目的端的電壓和電流是否符合需求。電源完整性在現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中相當(dāng)重要，涉及芯片層面、芯片封裝層面、電路板層面及系統(tǒng)層面。

電源完整性的結(jié)果是否滿足要求，是由三個部分綜合決定的，即供電模塊、傳輸路徑和用電端。我們設(shè)計電源電路的時候，對電源的要求是低噪聲、低紋波，且輸出電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，從而能夠盡可能地減少干擾引入。

保證電源完整性，最終是保障用電芯片的噪聲裕量[51][xz2]。電源噪聲的裕量計算的過程如下。

(1)芯片的規(guī)格書會給一個規(guī)范值，通常是5%；要考慮到穩(wěn)壓芯片直流輸出誤差，一般是±2.5%，因此電源噪聲峰值幅度不超過±2.5%。

(2)如芯片的工作電壓范圍是3.13~3.47V，穩(wěn)壓芯片標(biāo)出輸出電壓是3.3V，安裝在電路板后的輸出電壓是3.36V。容許的電壓的變化范圍是3.47-3.36=0.11V。穩(wěn)壓芯片輸出精度是±1%，即3.36* ±1%=±0.0336V。電源的噪聲裕量為0.11-0.0336=0.0764V，即76.4mV。

在計算電源的噪聲裕量時，有以下幾點需要注意。

（1）穩(wěn)壓芯片的輸出電壓的精確值是多少。

（2）電源的工作環(huán)境的是不是穩(wěn)壓芯片所推薦的環(huán)境。

（3）負(fù)載情況是怎么樣的，這對穩(wěn)壓芯片的輸出也有影響。

（4）電源噪聲最終會影響到信號質(zhì)量。而信號上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射、串?dāng)_等信號完整性問題也會在信號上疊加。因此不能把所有噪聲裕量的要求都是通過提高電源輸出的噪聲來實現(xiàn)。

（5）不同的電壓等級對電源噪聲要求也不樣，電壓越小噪聲余量越小。模擬電路對電源要求更高。

最終我們要求在用電器件的接收端接受到良好質(zhì)量的電源，我們需要整個電源平面的所有的噪聲。對于電源的噪聲來源：穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不是恒定的，會有一定的紋波；穩(wěn)壓電源無法實時響應(yīng)負(fù)載對于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源響應(yīng)的頻率一般在200kHz以內(nèi)，能做正確的響應(yīng)，超過了這個頻率則在電源的輸出短引腳處出現(xiàn)電壓跌落；負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗產(chǎn)生壓降；外部的干擾。

此處提到“負(fù)載瞬態(tài)電流”，這個問題不是由電源輸出端的電源模塊或者電源芯片所產(chǎn)生，而是由用電負(fù)載自身的負(fù)載變化所產(chǎn)生，這個負(fù)載變化又是由于大量數(shù)字信號在“跳變”所產(chǎn)生。集成電路是由無數(shù)的邏輯門電路組成，基本的輸出單元我們可以看成是CMOS反相器，如圖13.1所示。

圖 13.1 CMOS輸出的電流示意圖

當(dāng)控制信號是一個低電平的時候，上面PMOS打開，此時輸出是高電平。打開的瞬間，VCC通過LVCC和R，對芯片B的輸入管腳進(jìn)行充電。當(dāng)控制信號是一個高電平的時候，下面的NMOS打開，此時輸出的是低電平。打開的瞬間，芯片B的輸入管腳儲存的電量經(jīng)過NMOS進(jìn)行放電。在CMOS反相器輸出狀態(tài)發(fā)生變化的時候，流過的電流正是變化的電流。

于是，在走線、過孔、平面層和封裝（鍵合引線、引腳）等這些具有電感的鏈接部件上，便會感應(yīng)出電壓。例如標(biāo)準(zhǔn)的GND地電位應(yīng)該是0V，但是芯片與地之間的鏈接部件存在電感，就會感應(yīng)出電壓VGND，那么芯片上的“地”電位就被抬高了，高于0V。如圖13.2所示，當(dāng)CMOS輸出信號同時從低電平到高電平切換時，VCC上會觀測到一個負(fù)電壓的噪聲，同時也會影響到GND，并有可能引起一個振蕩。當(dāng)輸出信號從高電平到低電平切換時，GND上會觀測到一個正電壓的噪聲，同時也會影響到VCC,并有可能引起一個振蕩。

圖 13.2 CMOS輸出變換電壓導(dǎo)致的電源和GND的電壓變化

一個CMOS會造成這樣的干擾，如果有很多CMOS同時工作，用電器件對電源平面和GND地平面造成的干擾會很嚴(yán)重。這就是隨著芯片的管腳越來越多，電流越來越大，集成度越來越高造成的我們不得不非常重視電源完整性。

（1）芯片的集成度越來越大，芯片內(nèi)部晶體管數(shù)量也越來越大；晶體管組成內(nèi)部的門電路組合邏輯 延遲線 狀態(tài)機(jī)及其它邏輯。

（2）芯片外部電源引腳提供給內(nèi)部晶體管一個公共的電源節(jié)點，當(dāng)晶體管狀態(tài)轉(zhuǎn)換時必然引起電源噪聲在芯片內(nèi)部傳遞。

（3）內(nèi)部晶體管工作需要內(nèi)核時鐘或是外部時鐘同步，但是由于內(nèi)部延遲及各個晶體管不可能嚴(yán)格同步，造成部分晶體管完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，另一部分可能處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，這樣一來處于高電平門電路的電源噪聲會傳到其它門電路的輸入部分。

經(jīng)過上面分析，大家也非常能夠理解，為什么要將去耦電容靠近用電器件的電源管腳放置了。

去耦電容（decoupling capacitor）通常被用于電源系統(tǒng)中，目的是提供對電源噪聲的短時、高頻響應(yīng)，以維持穩(wěn)定的電源電壓供應(yīng)給集成電路（IC）或其他用電器件。將去耦電容放置在靠近用電器件的位置有幾個關(guān)鍵的理由：

1. 降低電感效應(yīng)：在電源供電線路中，電源線和地線都有一定的電感。當(dāng)用電器件瞬時需要大電流時，由于電感的存在，線路中會產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致用電器件供電電壓下降。通過在用電器件附近放置去耦電容，可以在用電瞬間提供瞬時電流，抵消電感引起的電壓降。

2. 降低電源回路的阻抗：去耦電容在高頻上具有較低的阻抗。將去耦電容放置在用電器件附近，可以降低電源回路的總阻抗，使電源更容易提供瞬時高頻電流需求。

3. 減小電壓波動的傳播：電源線路上的電壓波動會沿著線路傳播。通過將去耦電容靠近用電器件，可以減小電壓波動的傳播距離，確保用電器件獲得更穩(wěn)定的電源電壓。

4. 最小化電源噪聲對鄰近電路的影響：去耦電容可以吸收電源線上的噪聲，防止噪聲通過電源線傳播到鄰近的電路。這對于保持鄰近電路的穩(wěn)定性和性能至關(guān)重要。

因此，為了最大程度地提高去耦電容的效果，它通常被放置在用電器件附近，以確保對瞬時電流需求的快速響應(yīng)，并最小化電源系統(tǒng)中的電感和電阻的影響。

小封裝和小容值的去耦電容更應(yīng)該靠近電源管腳的主要原因與這些電容的高頻響應(yīng)和電流傳輸?shù)奶匦杂嘘P(guān)。

高頻響應(yīng)：小封裝和小容值的電容通常在高頻范圍內(nèi)具有更好的響應(yīng)特性。由于高頻信號的波長短，電容的物理尺寸和電感對其阻抗的影響較小。因此，小型電容更能夠提供對高頻噪聲的有效去耦。

電流傳輸速度：小封裝的電容通常具有較低的等效電感，使其能夠更快地傳輸電流。在高頻情況下，電流需要迅速響應(yīng)用電器件的需求。通過將小電容靠近電源管腳，可以降低電流路徑的電感，提高對瞬時電流需求的快速響應(yīng)能力。

電源噪聲的局部處理：小容值的電容主要用于處理局部的、瞬時的高頻噪聲。通過將這些電容靠近電源管腳，可以在電源引入電路板或芯片的地方提供即時的去耦效果，而不是在較遠(yuǎn)的位置。這有助于保持用電器件的電源穩(wěn)定性，減小對整個電路的影響。

采用小封裝和小容值的去耦電容靠近電源管腳，有助于優(yōu)化高頻噪聲去耦效果，并提供對瞬時電流需求的快速響應(yīng)。這樣的設(shè)計有助于維持用電器件的穩(wěn)定性和性能。

用一個電容組合的例子。這個組合使用的電容為：2個680uf鉭電容，7個2.2uf陶瓷電容（0805封裝），13個0.22uf陶瓷電容（0603封裝），26個0.022uf陶瓷電容（0402）。圖中上部平坦的曲線是680uf電容的阻抗曲線，其它三個容值的曲線為為圖中三個V字曲線，從左到右2.2uf →0.22uf→ 0.022uf。總的阻抗曲線為底部粗包路線。

這個組合實現(xiàn)了在500K到150M范圍內(nèi)保持阻抗在33毫歐以下，到500M處，阻抗上升到110毫歐，從圖中看反諧振點控制的很低。

審核編輯：劉清