去耦電(diàn)容器的用(yòng)途是什么？

2021-04-01

去耦電(diàn)容器的用(yòng)途是什么？

对于模拟和数字设备，系统噪声已成為(wèi)关键问题。对快速接口和较低功耗的要求导致设备对電(diàn)源和信号線(xiàn)的干扰很(hěn)敏感。電(diàn)路中的去耦電(diàn)容器或旁路電(diàn)容器可(kě)為(wèi)IC提供高瞬态電(diàn)流，并减少電(diàn)源纹波。此类電(diàn)容器靠近IC的電(diàn)源引脚放置。
诸如音频放大器之类的模拟電(diàn)路在运行期间会产生嗡嗡声或a啪声，而诸如微控制器之类的数字電(diàn)路则表现出不稳定且不可(kě)预测的行為(wèi)。这是因為(wèi)输入電(diàn)压不稳定。如果诸如毛刺，電(diàn)压尖峰和交流分(fēn)量之类的变化仍在容差范围内，则任何设备都将准确执行。良好的PCB设计必须通过使用(yòng)适当放置的去耦電(diàn)容器和旁路電(diàn)容器解决系统内電(diàn)源噪声，以确保输入電(diàn)压平稳。

為(wèi)什么需要去耦？

去耦提供了从電(diàn)源到地的低阻抗路径。因此，选择低電(diàn)感但高价值的電(diàn)容器（低阻抗）非常重要。

電(diàn)容耦合对電(diàn)流返回路径的影响。

下图显示了正電(diàn)源和负電(diàn)源。它显示了高性能(néng)放大器的電(diàn)源抑制比（ PSR）如何在大约20 dB /十倍频附近恶化。在直流下，PSR约為(wèi)90 dB，在较高的频率下会迅速下降，这表明電(diàn)源線(xiàn)上的有(yǒu)害能(néng)量会耦合到输出。因此，必须避免这种高频能(néng)量进入IC。可(kě)以通过结合電(diàn)解電(diàn)容器（用(yòng)于低频去耦）和陶瓷電(diàn)容器（用(yòng)于高频去耦）来完成。

高性能(néng)运算放大器的電(diàn)源抑制比与频率的关系。图信用(yòng)：ADI公司

数据表中不一定指定電(diàn)源抑制规格。但是，您始终可(kě)以在数据表的“应用(yòng)”部分(fēn)中找到推荐的電(diàn)源去耦電(diàn)路。通常应始终遵循这些建议，以确保设备正常运行。

小(xiǎo)号的IC的ensitivity

IC对電(diàn)源波动的敏感性由電(diàn)源抑制比（PSRR）或PSR（以dB為(wèi)单位）表示。PSRR是输出電(diàn)压变化与電(diàn)源電(diàn)压变化之比。

什么是去耦電(diàn)容？

去耦電(diàn)容放置

去耦電(diàn)容器是能(néng)够以局部方式存储能(néng)量的无源组件。由于其性质，充電(diàn)和放電(diàn)需要时间。通过提供适当的直流電(diàn)源，它可(kě)以防止電(diàn)压快速变化，从而保护系统或IC。

去耦電(diàn)容器并联连接在電(diàn)源和负载/ IC之间。為(wèi)了抑制每个IC的電(diàn)压干扰，必须将它们放置在本地，即，尽可(kě)能(néng)靠近IC。所有(yǒu)配電(diàn)网络均具有(yǒu)实际的阻抗和電(diàn)感，可(kě)防止瞬时提供電(diàn)流，去耦電(diàn)容器可(kě)控制電(diàn)压骤降和振铃，并确保電(diàn)路電(diàn)压的稳定性。

什么是旁路電(diàn)容？

旁路電(diàn)容放置

旁路電(diàn)容器用(yòng)于将噪声旁路到地面，以防止噪声进入系统。它连接在電(diàn)源電(diàn)压（Vcc）和接地（GND）引脚之间，以减少電(diàn)源噪声和電(diàn)源線(xiàn)上的電(diàn)压尖峰。 

去耦電(diàn)容和旁路電(diàn)容有(yǒu)什么區(qū)别？

去耦電(diàn)容器存储能(néng)量，并将其耗散回電(diàn)源轨，以维持電(diàn)流的平稳流动。旁路電(diàn)容器提供交流信号返回路径，以在電(diàn)源和接地轨之间切换。

去耦電(diàn)容和旁路電(diàn)容之间的差异。

考虑到它们的用(yòng)途和功能(néng)，旁路電(diàn)容器和去耦電(diàn)容器可(kě)以互换使用(yòng)。给任何设备供電(diàn)时，主要目的是相对于输入電(diàn)源接地提供非常低的阻抗路径。一些明显的區(qū)别是：

旁路電(diàn)容器用(yòng)于為(wèi)高频噪声信号提供低阻抗的分(fēn)流路径。它们确保高频噪声在流入整个電(diàn)路之前得到缓解，从而导致電(diàn)路故障和EMI问题。另一方面，使用(yòng)去耦電(diàn)容器来稳定電(diàn)压变化。

对于低阻抗并联功能(néng)，一个電(diàn)解電(diàn)容器就足够了，但是為(wèi)了稳定信号，需要两种不同类型的電(diàn)容器。

去耦電(diàn)容器的目的是什么？

去耦電(diàn)容器用(yòng)于隔离或解耦两个電(diàn)路。换句话说，它们使交流信号与直流信号解耦，反之亦然。

在输入電(diàn)压下降的情况下，去耦電(diàn)容器可(kě)為(wèi)IC提供足够的功率以维持電(diàn)压電(diàn)平。

在電(diàn)压升高的情况下，去耦電(diàn)容器可(kě)防止多(duō)余的電(diàn)流流过IC，以保持電(diàn)压稳定。

哪种类型的電(diàn)容器用(yòng)于去耦？

電(diàn)解電(diàn)容器

较大的電(diàn)解電(diàn)容器（1至100 F）可(kě)用(yòng)来消除低频噪声。这些電(diàn)容器充当電(diàn)荷储存器，以满足電(diàn)路的瞬时電(diàn)荷需求。此类電(diàn)容器的放置距离IC不应超过2英寸。由于所有(yǒu)的電(diàn)解電(diàn)容器都是极化的，因此它们不能(néng)承受超过1伏的反向偏置而不会造成损坏。它们具有(yǒu)较高的泄漏電(diàn)流，这取决于设计，電(diàn)气尺寸以及额定電(diàn)压与施加電(diàn)压的关系。但是，泄漏電(diàn)流不会显着影响去耦。

陶瓷電(diàn)容器 

低電(diàn)感表面贴装陶瓷電(diàn)容器（0.01μF– 0.1μF）用(yòng)于消除高频電(diàn)源噪声。这些電(diàn)容器直接连接到IC的電(diàn)源引脚。

用(yòng)于高频去耦的低電(diàn)感陶瓷電(diàn)容器

陶瓷電(diàn)容器紧凑且损耗低。它们具有(yǒu)宽温度耐受性，低ESR / ESL，稳定性，可(kě)靠性，并可(kě)以承受宽電(diàn)压范围。X7R，Z5U和Y5V電(diàn)容器类型的值最高可(kě)达数F，介電(diàn)常数高，额定電(diàn)压最高200V。X7R型陶瓷電(diàn)容器是优选的，因為(wèi)它显示出随直流偏置電(diàn)压变化的電(diàn)容变化较小(xiǎo)与Z5U和Y5U相比。

另外，还使用(yòng)了NP0（COG）陶瓷電(diàn)容器（0.1μF或更小(xiǎo)），因為(wèi)它们具有(yǒu)较低的介電(diàn)常数公式和较低的電(diàn)压系数。

多(duō)层陶瓷（MLCC）表面贴装電(diàn)容器

MLCC因其低電(diàn)感设计而用(yòng)于10MHz或更高频率的旁路和滤波。

為(wèi)了更有(yǒu)效，所有(yǒu)去耦電(diàn)容器必须直接连接到低阻抗接地层。建议使用(yòng)短走線(xiàn)或过孔连接这些電(diàn)容器，以最小(xiǎo)化串联電(diàn)感。
如何放置去耦電(diàn)容器？

去耦電(diàn)容器的放置至关重要，因為(wèi)它可(kě)以减小(xiǎo)電(diàn)源轨的阻抗。理(lǐ)想情况下，它应该使電(diàn)容最大，而電(diàn)阻和電(diàn)感最小(xiǎo)。诸如IC之类的组件取决于其输入電(diàn)压，以便在运行时尽可(kě)能(néng)稳定。 

去耦電(diàn)容应尽可(kě)能(néng)靠近IC放置，因為(wèi)它通过滤除任何过多(duō)的噪声来保护这些敏感芯片。它们距离越遠(yuǎn)，效果越差。

在PCB走線(xiàn)上的有(yǒu)效去耦電(diàn)容器位置。

在左图中（如上所示），与電(diàn)源引脚和地的连接均尽可(kě)能(néng)短。这是最有(yǒu)效的安排。在右图（如上所示）中，PCB走線(xiàn)可(kě)能(néng)会形成环路，从而导致干扰问题。由于PCB走線(xiàn)的電(diàn)感和電(diàn)阻过大，因此这种布置的效果较差。

始终在電(diàn)源和负载/ IC之间并联连接去耦電(diàn)容器。

将電(diàn)容器与输入和输出信号走線(xiàn)串联放置可(kě)消除输入和输出信号的低频瞬变。

将電(diàn)容器与電(diàn)阻并联放置可(kě)减少高频EMI。

使用(yòng)过孔到达電(diàn)源平面时，将電(diàn)容器连接至组件引脚，然后再连接至过孔，以确保電(diàn)流流经该平面。

去耦電(diàn)容布局

去耦電(diàn)容器对于隔离模拟和数字信号也很(hěn)有(yǒu)效。这是通过在交流電(diàn)和数字PCB接地之间连接一个電(diàn)容器来实现的。

确保電(diàn)源和接地层连续且相邻： 将電(diàn)容器靠近IC的電(diàn)源和接地引脚放置至关重要。它使到接地层和電(diàn)源层的電(diàn)路路径尽可(kě)能(néng)短。 

相邻電(diàn)源平面和接地平面的对称放置：相邻電(diàn)源平面 和接地平面应对称放置。还建议最小(xiǎo)化平面和去耦電(diàn)容器之间的层数。

另请阅读 PCB设计和组装的组件放置指南。

您如何选择去耦電(diàn)容器的值？

電(diàn)路中使用(yòng)的電(diàn)容器数量取决于電(diàn)源和接地引脚以及存在的I / O信号的数量。根据信号带宽或工作频率，选择具有(yǒu)足够高的自谐振频率的去耦電(diàn)容器。

了解自谐振频率： 電(diàn)容器在此频率之前仍保持電(diàn)容性，并开始以高于该频率的電(diàn)感形式出现。去耦電(diàn)容器的阻抗在频率ω= 1 /√LC处达到最小(xiǎo)阻抗。该频率称為(wèi)去耦電(diàn)容器的谐振频率。

较低的電(diàn)容和较低的電(diàn)感会产生较高的谐振频率。通过选择较小(xiǎo)的表面贴装元件可(kě)以实现较高的自谐振频率，因為(wèi)通常，较小(xiǎo)的元件封装具有(yǒu)较低的寄生電(diàn)感。

低频噪声去耦電(diàn)容值应在1 µF至100 µF之间。高频噪声去耦電(diàn)容应在0.01 µF至0.1 µF之间。

低等效串联電(diàn)阻（ESR）和等效串联電(diàn)感（ESL）：由于電(diàn)容器需要快速提供電(diàn)流，因此请选择具有(yǒu)低ESR和ESL的電(diàn)容器。  

较小(xiǎo)的封装尺寸： 紧凑的電(diàn)容器具有(yǒu)减小(xiǎo)环路尺寸的优势，从而进一步减小(xiǎo)了電(diàn)感。

如何為(wèi)数字PDN选择去耦電(diàn)容器的尺寸？

去耦電(diàn)容器的尺寸根据配電(diàn)网络（PDN）的阻抗和开关IC所需的電(diàn)荷进行评估。评估准确的電(diàn)容器尺寸并将其正确放置有(yǒu)助于减少PDN上的纹波和噪声。

根据开关期间汲取的電(diàn)流和IC電(diàn)压计算去耦電(diàn)容器的尺寸。

其中：T上升是上升时间，V IC是IC電(diàn)压，而ΔI是汲取的電(diàn)流。

注意： 如果信号带宽小(xiǎo)于去耦電(diàn)容器的自谐振频率，则上述公式有(yǒu)效。信号带宽由下式给出：（0.35 /信号上升时间）。

如何為(wèi)模拟PDN选择去耦電(diàn)容器的尺寸？

当為(wèi)模拟IC提供稳定的電(diàn)源时，去耦電(diàn)容器会不断充電(diàn)和放電(diàn)，以在模拟IC工作时提供稳定的電(diàn)源。

模拟IC的去耦電(diàn)容器的尺寸由下式给出：

IC吸收的電(diàn)流将是IC電(diàn)压和频率的递增函数。

其中：f是频率，V IC是IC電(diàn)压，I是汲取的電(diàn)流。

如何根据PDN阻抗选择去耦電(diàn)容器的尺寸？

去耦電(diàn)容器可(kě)及时提供所需的電(diàn)荷，并降低整个PDN的输出阻抗。实际上，去耦電(diàn)容器仅在特定频率范围内有(yǒu)效。实际的去耦電(diàn)容器的阻抗随着频率的降低而線(xiàn)性减小(xiǎo)，而随着频率的增加而增大。实际去耦電(diàn)容器阻抗的增加是由于去耦電(diàn)容器的寄生電(diàn)感引起的。

另请阅读如何减少PCB布局中的寄生電(diàn)容。

确定去耦電(diàn)容器尺寸的最佳方法之一是基于目标PDN阻抗。 

去耦電(diàn)容器的尺寸取决于所需的電(diàn)压纹波，目标PDN阻抗和目标PDN電(diàn)压。

其中：f是频率，V IC是IC電(diàn)压，V纹波是電(diàn)压纹波，Z PDN是目标PDN阻抗。

目标PDN阻抗和PDN纹波電(diàn)压是電(diàn)容的函数，这使其成為(wèi)一个非常复杂的问题。计算“ C”需要多(duō)次迭代。上式更精确，因為(wèi)它可(kě)以将去耦電(diàn)容器的谐振频率和由于PCB布局中的寄生效应引起的谐振结合在一起。

在為(wèi)C和f的不同值计算Z PDN时，我们得出C的最佳值，从而在所有(yǒu)频率范围内获得最低的Z PDN 。 

注意：  IC数据手册中始终提供要使用(yòng)的去耦電(diàn)容器的准确值。

您如何选择旁路電(diàn)容的值？

添加到電(diàn)路中的電(diàn)容器的電(diàn)抗应小(xiǎo)于并联電(diàn)阻的1/10。電(diàn)流始终采用(yòng)最低的電(diàn)阻路径，因此，如果要将AC信号切换到地，则電(diàn)容器应具有(yǒu)较低的電(diàn)阻。要使用(yòng)的旁路電(diàn)容器的電(diàn)容值為(wèi)：

其中：f是频率，X C是電(diàn)抗。“ f”取决于電(diàn)路板的工作频率。

電(diàn)容器是PCB组件上使用(yòng)最多(duō)的组件之一，其最重要的功能(néng)之一就是去耦。实际上，電(diàn)路板的信号和電(diàn)源完整性可(kě)能(néng)完全取决于您放置去耦電(diàn)容器和旁路電(diàn)容器的效率。