為什么去耦電容器很重要
系統(tǒng)噪聲是當(dāng)今所有數(shù)字設(shè)備普遍面臨的問題。不斷追求更快的接口和更低的功耗導(dǎo)致設(shè)備越來越容易受到來自電源和信號線的干擾。
幸運的是，通過使用去耦技術(shù)，可以將局部電路與系統(tǒng)中其他電路隔離開來，從而減輕噪聲干擾。
什么是去耦電容器?
去耦電容器有助于隔離或去耦局部電路，使其不受共享電源、地線和其他導(dǎo)線上的噪聲和電源異常的影響。它們通常被應(yīng)用于電源，以提供瞬態(tài)電流的局部源，并將局部電路與設(shè)計的其他區(qū)域中的電源噪聲隔離開來。
這種局部接入是必要的，因為所有電源分配系統(tǒng)都具有實際的阻抗和電感，阻止了對負載的真正瞬時電流供應(yīng)。當(dāng)發(fā)生大型開關(guān)負載時，電流吸收可以導(dǎo)致電源電壓下降和振鈴，這可能違反所需的電路電壓條件或?qū)е绿摷傩盘枴?/p>
旁路電容器與去耦電容器
在討論去耦電容器時，了解去耦電容器與旁路和耦合電容器之間的區(qū)別是很重要的。
旁路電容器用于為高阻抗路徑上的高頻噪聲提供低阻抗的分流通道，在許多情況下，它們也被稱為去耦電容器，因為它們有助于在噪聲有機會傳播到電路的其他部分之前最小化高頻噪聲，這可能會導(dǎo)致電路故障或設(shè)計生成的電磁干擾(EMI)問題。
另一方面，耦合電容器提供直流隔離，同時創(chuàng)建了一個用于音頻、視頻、射頻和高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的有意路徑。在高速接口上經(jīng)常使用耦合電容器，以確保連接設(shè)備上的任何直流電位差不會表現(xiàn)為設(shè)備之間的地面電流。
去耦電容器如何工作?
去耦電容器用于對抗來自許多不同源的干擾。同步開關(guān)邏輯和數(shù)據(jù)總線可能會導(dǎo)致大量瞬時電流流動，從局部電源傳遞系統(tǒng)(PDS)中吸收大量電荷。當(dāng)發(fā)生這些瞬時負載時，PDS中的電感會阻止設(shè)計中的電源瞬時提供額外的電流給負載，這可能導(dǎo)致局部電源電壓下降或振鈴。
去耦電容器有助于提供局部瞬時電荷源，防止電源電壓下降，以及用于阻尼振鈴的旁路路徑。PDS上的噪聲也會在局部阻尼，有助于局部電路不受電源平面上的紋波干擾，否則可能會干擾電路。當(dāng)其他部分經(jīng)歷瞬時電流吸收時，此效果還會延伸到設(shè)計的其他部分，它們的去耦電容器進一步減少了該電路部分的局部去耦。最后，在去耦角色中使用的旁路電容器有助于分流高頻回流路徑，防止它們在電路區(qū)域之間流動，可能會導(dǎo)致電路故障或系統(tǒng)級EMI問題。了解更多有關(guān)旁路電容和其重要性的信息。
去耦電容器選擇指南
雖然任何去耦電容器都可以說比沒有好，但在實施去耦方案時需要考慮一些指導(dǎo)原則。因為電容器需要迅速提供電流，所以選擇具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器是最重要的方面，它將特性阻抗與與電感相關(guān)的任何阻抗相加。通常在去耦應(yīng)用中使用陶瓷電容器，因為它們具有寬溫度容忍度、能夠承受廣泛的電壓范圍、低ESR、穩(wěn)定性和可靠性。然而，電容器的構(gòu)造與包裝尺寸一樣重要，因為電容器化學(xué)性質(zhì)的固有優(yōu)勢可能會被較大封裝尺寸引入的電感所抵消。
通常情況下，最小的可用封裝，否則符合設(shè)計參數(shù)的封裝是最佳選擇，盡管可能有進一步減少電感的特殊旁路和去耦電容器封裝可用。較小的封裝還有一個好處，即減小了電容器電路的回路尺寸，從而進一步減小了每個去耦電容器的電感。
增強電源和地面之間的電容器
優(yōu)化去耦電容器功能的其他方法包括確保電源和地面平面是連續(xù)且相鄰的，確保電容器盡可能靠近IC的電源和地面引腳，盡量使電路路徑到地面和電源平面盡可能短，并確保通過電容器的引腳或其旁邊進行布線。相鄰的電源和地面平面應(yīng)該對稱地放置在設(shè)計中，并應(yīng)盡量減少平面和去耦電容器之間的層數(shù)。如果可能的話，電容器還應(yīng)分布在它們所去耦的區(qū)域。當(dāng)不可能進行分布并且使用電容器組時，最好交替它們的方向以分散它們的連接點，防止來自多個相鄰的引腳通過平面引腳的有效分割。要使用的電容器數(shù)量主要取決于局部電路區(qū)域或IC中存在的電源和地面引腳數(shù)量，以及存在的I/O信號數(shù)量。具有模擬和數(shù)字部分的設(shè)計可能要求對電路或IC的各個段進行去耦和旁路處理。
今天的數(shù)字設(shè)備在面對開關(guān)負載和其他系統(tǒng)噪聲源時可能面臨保持穩(wěn)定和安靜電源供應(yīng)的重大挑戰(zhàn)。通過在集成的去耦方案中正確使用大容量電源電容器和旁路電容器，設(shè)計師可以確保在系統(tǒng)內(nèi)部電源噪聲和其他噪聲源的情況下適當(dāng)減輕問題，并使其產(chǎn)品按設(shè)計工作。
去耦電容器是一種用于電子設(shè)備中的關(guān)鍵元件，用于減輕系統(tǒng)噪聲和電源干擾。它們通過提供局部電流源和隔離局部電路，將局部電路與其他部分分離開來，從而確保電路正常運行。去耦電容器與旁路電容器和耦合電容器有所不同，其主要任務(wù)是消除高頻噪聲和穩(wěn)定電源電壓。
去耦電容器的工作原理是提供瞬時電荷源，以抵消來自大型負載的瞬時電流吸收，防止電源電壓下降和振鈴。它們還有助于阻止噪聲從電源傳播到電路的其他部分，確保電路的穩(wěn)定性。去耦電容器通常采用陶瓷材料，具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)，以便快速提供電流。
在設(shè)計中，去耦電容器的優(yōu)化包括選擇低ESR電容器、確保電源和地面平面連續(xù)且相鄰、盡量減小電路路徑的長度、并確保電容器封裝尺寸適當(dāng)。通過正確使用去耦電容器，設(shè)計師可以確保數(shù)字設(shè)備在面對噪聲和電源干擾時能夠保持穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)設(shè)計的預(yù)期性能。
審核編輯：湯梓紅