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去耦電容的設(shè)計(jì)

當(dāng)器件高速開關(guān)時(shí)，高速器件需要從電源分配網(wǎng)絡(luò)吸收瞬態(tài)能量。去耦電容也為器件和元件提供一個(gè)局部的直流源，這對(duì)減小由于電流在板上傳播而產(chǎn)生的尖峰很有作用。
 
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘等周期工作電路器件要進(jìn)行重點(diǎn)的去耦處理。這是因?yàn)檫@些器件產(chǎn)生的開關(guān)能量相對(duì)集中，幅度較高，并會(huì)注入電源和地分配系統(tǒng)中。這種能量將以共模和差模的形式傳到其它電路或控制系統(tǒng)中。去耦電容的自諧振頻率必須要高于抑制時(shí)鐘諧波的頻率。典型地，當(dāng)電路中信號(hào)沿為2ns或更小時(shí)，選擇自諧振頻率為10～30MHz的電容。常用的去耦電容是0.1uF再并聯(lián)0.001uF。
 
注意：對(duì)于200～300MHz以上頻率的供電電源，0.1uF并聯(lián)0.001uF的電容器由于引線電感及電容的充放電速率影響就不太適用了。通常在多層PCB板中電源層與地層之間的分布電容，其自諧振頻率為200～400MHz，如果元器件工作頻率很高，借助PCB層結(jié)構(gòu)的自諧振頻率，作為一個(gè)大電容來提供很好的EMI抑制效果，通常一個(gè)10cm2面積的電源層與地層平面，當(dāng)距離為0.0254mm時(shí)，其間電容近似為225pF左右。
 
在PCB上進(jìn)行元件放置時(shí)，要保證有足夠的去耦電容，特別是對(duì)時(shí)鐘發(fā)生電路來說，還要保證旁路和去耦電容的選取滿足預(yù)期的應(yīng)用；自諧振頻率要考慮所有要抑制的時(shí)鐘的諧波，通常情況下，要考慮原始時(shí)鐘頻率的5次諧波。
 
再通過一個(gè)電路設(shè)計(jì)中計(jì)算去耦電容的方法作為參考原理進(jìn)行分析，但在實(shí)際中電路中并不適用。假如，電路中有10個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)進(jìn)行開關(guān)輸出，其邊沿速率為1ns,負(fù)載電容為30pF，電壓為2.5V，允許波動(dòng)范圍為±2%，則Z簡單的一種方法就是計(jì)算負(fù)載的瞬間消耗電流，計(jì)算方法如下：

1）計(jì)算負(fù)載需要的電流和所需的電容大小利用公式（1.1）、（1.2）計(jì)算

      I=C·du/dt                (1.1)
      C=I·dt/du                (1.2)

式（1.1）和式（1.2）中，I為瞬態(tài)負(fù)載電流，單位為（A）；du為電壓變化率，單位為(V/ns);dt為電壓上升沿的時(shí)間，單位為（ns）；C為負(fù)載電容大小，單位為（nF）。
 
根據(jù)電路中的已知參數(shù)代入公式（1.1）、（1.2）計(jì)算數(shù)據(jù)。
 
I=C·du/dt=30pF×2.5V/1ns=75mA;則總的電流ITOTAL=10×75mA=750mA。

其所需要的電容C=I·dt/du=0.75A×1ns/(2.5×2%)=15nF

根據(jù)上面的理論，考慮溫度和電壓的影響可以取20～40nF的電容保證一D的余量設(shè)計(jì)�？梢圆捎脙蓚�(gè)10nF的電容并聯(lián)，以減少ESR。這種計(jì)算方法比較直觀簡單，但實(shí)際的效果并不是很理想。特別是在高頻應(yīng)用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問題。比如，在電路中的電容即使其寄生電感很小約為1nH,但根據(jù)ΔU=L·di/dt計(jì)算其產(chǎn)生的瞬態(tài)壓降ΔU=1nH×0.75/1ns=0.75V,這個(gè)結(jié)果顯然也是不理想的。
 
因此，針對(duì)高頻電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用另外一種更為有效的方法，在高頻電路中主要分析回路電感的影響。同樣應(yīng)用上面的電路設(shè)計(jì)條件進(jìn)行分析：

2）計(jì)算回路Z大阻抗ZMAX;低頻旁路電容的工作范圍FBYPASS;高頻截止頻率FK參數(shù)值大小利用公式（1.3）、（1.4）、（1.5）計(jì)算。

     ZMAX=ΔU/ΔI                  (1.3)
     FBYPASS=ZMAX/(2πL)           (1.4)
     FK=0.5/Tr                    (1.5)

式（1.3）、（1.4）和式（1.5）中，ΔI為瞬態(tài)負(fù)載電流，單位為（A）；ΔU為電壓的允許變化范圍，單位為(V); L為允許的Z大電感，單位為（pH）；Tr為器件的邊沿上升時(shí)間，單位為（ns）。
 
根據(jù)電路中的已知參數(shù)代入公式（1.3）、（1.4）、（1.5）計(jì)算數(shù)據(jù)。
 
則計(jì)算電源回路允許的Z大阻抗ZMAX=ΔU/ΔI=（2.5×2%）/0.75=66.7mΩ

考慮低頻旁路電容的工作范圍FBYPASS=ZMAX/(2πL)，這里假設(shè)其寄生電感為5nH。同時(shí)假定頻率低于FBYPASS時(shí)，由電路板上的大電解電容提供能量。
 
FBYPASS=ZMAX/(2πL)=66.7 mΩ/(2×3.14×5nH)=2.12MHz

考慮Z高的有效頻率FK=0.5/Tr=0.5/1ns=500MHz;

這個(gè)截止頻率代表了數(shù)字電路中能量Z集中的頻率范圍，超過了這個(gè)截止頻率將對(duì)數(shù)字信號(hào)的能量傳輸沒有影響。因此可以計(jì)算出Z大的有效截止頻率下電容允許的Z大電感LTOTAL

LTOTAL= ZMAX/(2πFK)=66.7/(2×3.14×500M)=21.2pH

電容在低頻下不能超過允許的阻抗范圍，可以計(jì)算出總的電容C值大小。
 
C=1/(2πFBYPASS·ZMAX)=1/(2×3.14×2.12MHz×66.7mΩ)=1.2uF

通過這個(gè)計(jì)算結(jié)果可以得出使用總電容大小為1.2uF,其電容總的寄生電感為21.2pH,而常用的電容器件其Z小的電感可能都有1nH左右。因此，系統(tǒng)就需要很多的電容采用并聯(lián)的方式在整個(gè)PCB上達(dá)到要求。從實(shí)際情況上來看這與實(shí)際也是不相符合的。如果實(shí)際的高速電路要求很高的話，只有盡可能選用ESL較小的電容來避免使用大量的電容器件并聯(lián)使用。
 
注意：實(shí)踐中，去耦電容的容量選擇并不嚴(yán)格，可以按C=1/f進(jìn)行選用，f為電路頻率，即10MHz頻率以下選用0.1uF,100MHz頻率以上選用0.01uF,10～100MHz頻率之間，在0.01～0.1uF之間任意選擇。
 
3）通常在產(chǎn)品IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)于去耦電容的選擇需要滿足下面的條件：

芯片與去耦電容兩端的電壓差ΔU=L·ΔI/Δt需要小于器件的噪聲容限。
 
從去耦電容為IC芯片提供所需要的電流角度考慮，其容量應(yīng)滿足：

          C≥ΔI·Δt/ΔU
 
IC芯片的開關(guān)電流iC的放電速度必須小于去耦電容電流的Z大放電速度：

          diC/dt≤ΔU/L
 
此外，當(dāng)電源引線比較長時(shí)，瞬變電流（如果外部施加EMS干擾測試）會(huì)引起較大的壓降，此時(shí)就還需要增加電容以維持器件要求的電壓值。