去耦電容的選擇、容值計(jì)算和pcb布局布線詳解

去耦電容的應(yīng)用的非常廣泛，在電路應(yīng)用過程中對(duì)于去耦電容的容值計(jì)算和PCB電路布局布線有一些我們必須要了解的技巧。

有源器件在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播，和將噪聲引導(dǎo)到地。

去耦電容的容值計(jì)算

去耦的初衷是：不論IC對(duì)電流波動(dòng)的規(guī)定和要求如何都要使電壓限值維持在規(guī)定的允許誤差范圍之內(nèi)。 使用表達(dá)式：

C⊿U=I⊿t

由此可計(jì)算出一個(gè)IC所要求的去耦電容的電容量C。

⊿U是實(shí)際電源總線電壓所允許的降低，單位為V。

I是以A（安培）為單位的最大要求電流；

⊿t是這個(gè)要求所維持的時(shí)間。

去耦電容容值計(jì)算方法： 推薦使用遠(yuǎn)大于1/m乘以等效開路電容的電容值。

此處m是在IC的電源插針上所允許的電源總線電壓變化的最大百分?jǐn)?shù)，一般IC的數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)給出具體的參數(shù)值。

等效開路電容定義為：

C=P/（fU^2） 式中：

P——IC所耗散的總瓦數(shù)；

U——IC的最大DC供電電壓；

f——IC的時(shí)鐘頻率。

電容的容值選擇一般取決于電容的諧振頻率。

不同封裝的電容有不同的諧振頻率，下表列出了不同容值不同封裝的電容的諧振頻率：

需要注意的是數(shù)字電路的去耦，低的ESR值比諧振頻率更為重要，因?yàn)榈偷腅SR值可以提供更低阻抗的到地通路，這樣當(dāng)超過諧振頻率 的電容呈現(xiàn)感性時(shí)仍能提供足夠的去耦能力。

降低去耦電容ESL的方法

去耦電容的ESL是由于內(nèi)部流動(dòng)的電流引起的，使用多個(gè)去耦電容并聯(lián)的方式可以降低電容的ESL影響，而且將兩個(gè)去耦電容以相反走向放置在一起，從 而使它們的內(nèi)部電流引起的磁通量相互抵消，能進(jìn)一步降低ESL。（此方法適用于任何數(shù)目的去耦電容，注意不要侵犯DELL公司的專利）

IC去耦電容的數(shù)目選擇

在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候，經(jīng)常遇到的問題是為芯片的電源引腳設(shè)計(jì)去耦電容，上面已經(jīng)介紹了去耦電容的容值選擇，但是數(shù)目選擇怎么確定呢？理論上是每個(gè)電 源引腳最好分配一個(gè)去耦電容，但https://mp.weixin.qq.com/cgi-bin/appmsg？t=media/appmsg_edit&action=edit&type=10&isMul=1&isNew=1&lang=zh_CN&token=1045897676是在實(shí)際情況中，卻經(jīng)常看到去耦電容的數(shù)目要少于電源引腳數(shù)目的情況，如freescale提供的iMX233的PDK原 理圖中，內(nèi)存SDRAM有15個(gè)電源引腳，但是去耦電容的數(shù)目是10個(gè)。

去耦電容數(shù)目選擇依據(jù)

在布局空間允許的情況下，最好做到一個(gè)電源引腳分配一個(gè)去耦電容，但是在空間不足的時(shí)候，可以適當(dāng)削減電容的數(shù)目，具體情況應(yīng)該根據(jù)芯片上電源引腳 的具體分布決定，因?yàn)閺S家在設(shè)計(jì)IC的時(shí)候，經(jīng)常是幾個(gè)電源引腳在一起，這樣可以共用去耦電容，減少去耦電容的數(shù)目。

電容的安裝方法 電容的擺放

對(duì)于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍 遠(yuǎn)，最外層放置容值最大的。但是，所有對(duì)該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。另外的一個(gè)原因是：如果去耦電容離IC電源引腳較遠(yuǎn)，則布線阻抗將減小去耦電容 的效力。

還有一點(diǎn)要注意，在放置時(shí)，最好均勻分布在芯片的四周，對(duì)每一個(gè)容值等級(jí)都要這樣。通常芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都 是均勻分布在芯片的四個(gè)邊上的。因此，電壓擾動(dòng)在芯片的四周都存在，去耦也必須對(duì)整個(gè)芯片所在區(qū)域均勻去耦。

電容的安裝

在安裝電容時(shí)，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也是同樣。放置過孔的基本原則就是讓這一環(huán)路面積最小，進(jìn)而使總的寄 生電感最小。圖16顯示了幾種過孔放置方法。

第一種方法從焊盤引出很長(zhǎng)的引出線然后連接過孔，這會(huì)引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這時(shí)最糟糕的安裝方式。

第二種方法在焊盤的兩個(gè)端點(diǎn)緊鄰焊盤打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。

第三種在焊盤側(cè)面打孔，進(jìn)一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。

第四種在焊盤兩側(cè)都打孔，和第三種方法相比，相當(dāng)于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量 用這種方法。

最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會(huì)出現(xiàn)問題，是否使用要看加工能力和方式。 推薦使用第三種和第四種方法。

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：有些工程師為了節(jié)省空間，有時(shí)讓多個(gè)電容使用公共過孔。任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計(jì)，減少電容數(shù)量。 由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil 寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖17所示，注意圖中的各種尺寸。

對(duì)于大尺寸的電容，比如板級(jí)濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。注意：小尺寸電容禁止在兩個(gè)焊盤間打孔，因?yàn)槿菀滓鸲?路。

電容的去耦半徑

對(duì)于大尺寸的電容，比如板級(jí)濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。注意：小尺寸電容禁止在兩個(gè)焊盤間打孔，因?yàn)槿菀滓鸲搪贰?/p>

電容的去耦半徑

電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個(gè)擺放距離問題。 確實(shí)，減小電感是一個(gè)重要原因，但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn)，超出了它的去耦半徑，電 容將失去它的去耦的作用。

理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對(duì)電流的需求發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓 擾動(dòng)，電容要補(bǔ)償這一電流（或電壓），就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號(hào)在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間，因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有 一個(gè)時(shí)間延遲。同樣，電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。

特定的電容，對(duì)與它自諧振頻率相同的噪聲補(bǔ)償效果最好，我們以這個(gè)頻率來衡量這種相位關(guān)系。設(shè)自諧振頻率為f，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ，補(bǔ)償電流表達(dá)式可寫 為：

其中，A是電流幅度，R為需要補(bǔ)償?shù)膮^(qū)域到電容的距離，C為信號(hào)傳播速度。 當(dāng)擾動(dòng)區(qū)到電容的距離達(dá)到λ/4時(shí)，補(bǔ)償電流的相位為π，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時(shí)補(bǔ)償電流不再起作用，去耦作用失效，補(bǔ)償?shù)?能量無法及時(shí)送達(dá)。為了能有效傳遞補(bǔ)償能量，應(yīng)使噪聲源和補(bǔ)償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距離越近，相位差越小，補(bǔ)償能量傳遞越多，如果距 離為0，則補(bǔ)償能量百分之百傳遞到擾動(dòng)區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠(yuǎn)小于λ/4。實(shí)際應(yīng)用中，這一距離最好控制在λ/40-λ/50之間， 這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

例如：0.001uF陶瓷電容，如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH，那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz，諧振周期為 7.95ps。假設(shè)信號(hào)在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長(zhǎng)為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸，大約等于 2.4厘米。 本例中的電容只能對(duì)它周圍2.4厘米范圍內(nèi)的電源噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容，諧振頻率不同，去耦半徑也不同。對(duì)于大電 容，因?yàn)槠渲C振頻率很低，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，因而去耦半徑很大，這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位置的原因。對(duì)于小電容，因去耦半徑很小， 應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多數(shù)資料上都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。

綜上所述，在選擇去耦電容時(shí)，需要考慮的因素有電容的ESR、ESL值，諧振頻率，布局時(shí)要注意根據(jù)IC電源引腳的數(shù)目和周圍布局 空間決定去耦電容數(shù)目，根據(jù)去耦半徑?jīng)Q定具體的布局位置。