什么是去耦電容？為什么要去耦？去耦電容的PCB布局布線設(shè)計(jì)

一. 什么是去耦電容，為什么要去耦

1.簡(jiǎn)介

去耦（decoupling）電容也稱(chēng)退耦電容，一般都安置在元件附近的電源處，用來(lái)濾除高頻噪聲，使電壓穩(wěn)定干凈，保證元件的正常工作。

2.分析

對(duì)于一個(gè)電路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般有多個(gè)負(fù)載，這些負(fù)載的供電都來(lái)自于同一個(gè)電源

理想情況下，對(duì)于某個(gè)負(fù)載，電源應(yīng)該是這樣子的

但是電路板上各個(gè)負(fù)載的工作都要?jiǎng)討B(tài)地吸收電流，造成的供電電壓的不穩(wěn)，變成了下面這樣子

也就是在5V的DC上疊加了各種高頻率的噪聲，這些噪聲是由于器件對(duì)供電電流的需求導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，可以看成是在DC 5V上“耦和”了由于器件工作帶來(lái)的AC噪聲。

這樣耦和了AC的DC供電電壓不僅會(huì)影響本負(fù)載區(qū)域內(nèi)的電路的工作，也會(huì)影響到其它連接在同一個(gè)VCC上的其它負(fù)載的工作，有可能導(dǎo)致那些負(fù)載的電路工作出現(xiàn)問(wèn)題。

解決的方法就是在電源兩端并上一個(gè)小容量電容

從電源上看，沒(méi)有去耦電容的時(shí)候如左側(cè)的波形，加上了去耦電容之后變成了右側(cè)的樣子，供電電壓的波形變得干凈了，我們稱(chēng)該電容的作用是去掉了耦和在干凈的DC上的噪聲，所以該電容被稱(chēng)之為去耦電容，當(dāng)然也可以被稱(chēng)之為旁路（Bypass）電容，因?yàn)樵撾娙輰C上耦和的噪聲給旁路到地上去了，只留下干凈的DC給后續(xù)的電路供電。

在整個(gè)系統(tǒng)每個(gè)負(fù)載都加一個(gè)去耦電容

至于電源輸入端，也要加上電容去耦做輸入濾波，彌補(bǔ)負(fù)載的濾波指數(shù)不夠的情況

二. 去耦電容的選用

1.問(wèn)題

了解了什么是去耦電容后，那么問(wèn)題來(lái)了：

究竟需要多大容量的電容才能達(dá)到去耦的效果？

這么多不同種類(lèi)的電容選用哪種電容合適呢？

為什么在很多電路上看到針對(duì)一個(gè)電源管腳會(huì)有多個(gè)容量大小不同、類(lèi)型也不相同的電容一起工作呢？

2.分析

在一個(gè)芯片（比如FPGA/MCU）的電源管腳上需要多個(gè)不同容值、不同類(lèi)型的電容并聯(lián)達(dá)到較好的去耦效果

我們用來(lái)去耦的電容器（不論是哪一種）用于在電源線上的瞬態(tài)干擾期間快速提供電流，它們都不只有“電容”一個(gè)屬性，還有兩個(gè)阻礙電流流動(dòng)的部分：電阻（ESR） - 無(wú)論頻率如何都呈現(xiàn)固定阻抗; 電感（ESL）- 隨著頻率的增加其阻抗也變得更高。而這三部分的值與電容的類(lèi)型、容值、封裝都有很大的關(guān)系。

作為最常用的去耦神器 - 陶瓷電容具有很低的ESR和ESL（它們也很便宜），其次是鉭電容，提供適中的ESR和ESL，但相對(duì)有較高的電容/體積比，因此它們用于更高值的旁路電容，用于補(bǔ)償電源線上的低頻變化。對(duì)于陶瓷和鉭電容，較大的封裝通常意味著較高的ESL。

下圖顯示了0.1μF，封裝為0603的陶瓷電容器的阻抗，該電容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR：

正如前面討論的，去耦電容的作用就是平滑掉高頻變動(dòng)的紋波電流，理想的電容器可以很容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)殡娙萜鞯淖杩闺S著頻率的增加而降低。但由于ESL的存在，在某個(gè)頻率下阻抗實(shí)際上隨頻率開(kāi)始上升，這個(gè)頻率點(diǎn)又被稱(chēng)為自諧振頻率點(diǎn)。我們?cè)賹?duì)比一下1μF的鉭電容器，它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

由于其較高的電容值，鉭電容器的阻抗在開(kāi)始階段低于陶瓷的阻抗，但是較高的ESR和ESL的影響導(dǎo)致阻抗在100kHz附近變平，在1MHz-10MHz高于陶瓷電容的阻抗，在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。設(shè)想一下，如果電路中的噪聲頻率是在10MHz左右，即使鉭具有更高的電容，也不如放置一顆0.1μF的陶瓷電容更有效。如果我們要旁路掉更高頻率的噪聲，即使這個(gè)陶瓷電容也會(huì)存在太大的阻抗，我們就需要更低的ESL，也就是更小的封裝。

下圖左側(cè)表明兩個(gè)同樣是0603封裝的電容并不改變其對(duì)高頻噪聲的去偶性能，只是相當(dāng)于去耦電容的容量為二者的和而已，后面看到這個(gè)容量對(duì)旁路噪聲的效果其實(shí)沒(méi)有什么差別；而下圖的右側(cè)，一個(gè)0.1μF封裝為0603的電容和100pF封裝為0402的電容并聯(lián)在一起，就可以覆蓋更寬的高頻范圍，能夠?qū)蓚€(gè)頻點(diǎn)的噪聲進(jìn)行去偶。

回到本篇文章第一個(gè)圖，在同一個(gè)電源管腳并聯(lián)了三個(gè)去耦電容：

4.7μF的鉭電容，對(duì)比較低頻率的噪聲濾除比較有效；

0.1μF、0603的陶瓷電容，對(duì)1-50MHz區(qū)域的噪聲濾除效果比鉭電容有效；

0.001μF、0402的陶瓷電容，對(duì)于50MHz以上的高頻噪聲濾除比較有效；

具體的噪聲頻段可以通過(guò)電路分析（時(shí)鐘頻率）以及測(cè)量進(jìn)行確定，由此需要選用相應(yīng)類(lèi)型、相應(yīng)封裝的電容進(jìn)行去耦。多數(shù)的情況下我們用0.1μF陶瓷電容搭配一個(gè)鉭電容，就足以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電源噪聲的去耦效果。

所以，不同類(lèi)型，不同容量，不同封裝的電容，去耦的有效頻率段也是不同的

陶瓷電容相對(duì)與電解電容，最低的等效阻抗的頻率點(diǎn)更高

容量越小的電容，最低的等效阻抗的頻率點(diǎn)更高

封裝越小的電容，最低的等效阻抗的頻率點(diǎn)更高

三. 去耦電容的PCB布局布線

1.原理

先看一個(gè)很形象的動(dòng)圖，直觀體會(huì)一下一個(gè)電容放置位置不同起到的作用有多大的差異。

這張動(dòng)圖傳遞了如下的信息：

在電源管腳上放置一個(gè)104（0.1μF）的電容能夠有效抑制電源上的噪聲，也就是能夠?qū)﹄娫丛肼暼ヱ睿?/p>

“電源 – 去耦電容 – 地”三點(diǎn)一線的距離越近，則去耦的效果越好；

相同材料的電容，即便電容容量減少為1/10，去耦的效果并不會(huì)有什么明顯變化，我們對(duì)于高頻去耦用同樣封裝的器件，容值為0.01μF、0.1μF、1μF效果相差不大；

同樣容值，貼片（SMD）封裝的電容比穿孔的電容效果更好，原因就是穿孔電容的管腳等效的電感要大很多，影響了去耦的效果；

電源平面和地平面的使用，一方面可以讓三點(diǎn)一線的路徑更短，而且兩個(gè)平面相當(dāng)于一個(gè)大電容，也起到了去耦的作用

2. 實(shí)例

來(lái)看具體的實(shí)例

在常用單片機(jī)stm32f103c8t6最小系統(tǒng)中，常常有這樣四個(gè)去耦電容，分別對(duì)應(yīng)芯片的四對(duì)供電引腳

而在PCB中，這四個(gè)電容（圖中白色框框中）在擺放合理的情況下越靠近mcu越好

而在多電容去耦（對(duì)電源穩(wěn)定要求極為苛刻的電路中），比如GSM的電源，需要多個(gè)不同容量/種類(lèi)的電容

對(duì)應(yīng)下面紅框框出的6+1個(gè)電容，其中越小的電容應(yīng)當(dāng)越靠近GSM的電源腳，比如C24是8.2pF，離GSM最近，C19是100nf，離GSM較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)的則是容量最大的330uf的鉭電容

3.總結(jié)

下面的圖是去耦電容通過(guò)過(guò)孔與地進(jìn)行連通的方法比較，從最左側(cè)的效果最差依次編號(hào)，直到最右側(cè)效果最佳，當(dāng)然具體采用那種方式還要取決于其它一些因素，綜合考慮后做一個(gè)折衷。

下圖是一個(gè)實(shí)際電子產(chǎn)品系統(tǒng)的供電分布網(wǎng)絡(luò)，為了強(qiáng)調(diào)噪聲的起源（最左側(cè)），把電源模塊（VRM）放到了最右側(cè)。PCB上的走線、過(guò)孔、相關(guān)的器件引腳等都會(huì)產(chǎn)生寄生電阻、電感等，在圖中以R+L的方式等效表達(dá)出來(lái)。在這個(gè)圖中可以看出針對(duì)IC器件內(nèi)部（Die）、針對(duì)整個(gè)IC器件（Package）、針對(duì)某一個(gè)功能模塊中的電路單元都有相應(yīng)的去耦電容，最左側(cè)（靠近內(nèi)核）采用頻率響應(yīng)很高的小容值、小封裝的陶瓷電容，到右側(cè)則是低頻率、容量比較大的電解電容。

總之一句話：去耦電容的PCB布局?jǐn)[放原則是最小化電阻，最小化電感。

-推薦閱讀-

TL431搭建過(guò)壓保護(hù)電路

審核編輯：湯梓紅