旁路、去耦、Bulk以及耦合電容的作用與區別

2021-02-06 電力電子技術與新能源

在硬體設計中有很多種電容，各種電容的功能、種類和電容容值各不相同。按照功能劃分的話，最重要的幾種電容分別稱為：去耦電容（De-coupling Capacitor），旁路電容（Bypass Capacitor）、Bulk電容以及耦合電容（Coupling Capacitor）。

閱讀了一些文獻資料之後發現，這些電容的功能之間有差異，也有相似之處。下面的介紹主要是在查閱了大量文獻的基礎上，經過自己的理解和總結，對各種電容的功能進行整理。因為作者能力有限，如有不妥之處希望各位網友可以批評指正。

數字電路系統中的電源系統

對於數字晶片總希望供電電源的電壓是恆定的DC值，不要出現任何的波動。但這是很難做到的，原因有兩點。第一點是"熱噪聲"始終存在，任何電源的輸出信號都不可能是恆定不變的，常見的情況如下圖中深藍色線條表示的情況。

當在電源與GND之間放置了電容之後，電源輸出端的情況如圖 1中粉紅色線條所示，可見電容導致的電壓波動明顯變緩了。

導致供電電壓波動的第二個原因就是負載所需要的電流是不確定的，且動態變化的。特別是當負載是一些可編程處理器時，由於執行的功能隨時間的變化而不同，所需要的電流也會隨時間不斷變化。例如處於低功耗狀態下所需要的電流很小，如果同時多個IO引腳進行信號跳變，所需要的電流又會很多。而這些電流全部來自供電電源。所以當供電電源的輸出電流有很大波動時很難保持輸出電壓的平穩，勢必會造成短時間的供電電壓波動。波動的大小以及何時可以恢復都與電源器件的性能指標有關。

這裡有必要說明一下電源供電的波動對於數字電路的影響。如果電源的負載是LED這些簡單的外設，供電電壓的突然波動不會有太大影響。但如果負載是處理器，那麼短時間的電壓波動可能會導致瞬時供電電壓超出了處理器的specification範圍，導致處理器掉電重啟（瞬時電壓過低）或者瞬時高壓對數字晶片造成損害。於是，在數字電路系統設計中，保持供電電壓的穩定是非常重要的。

旁路電容

旁路電容（Bypass Capacitor）。電容的一個重要的電器特性是"通交流，隔直流"，其電抗的計算公式如下:

旁路電容的作用就是將系統中的高頻噪聲旁路到GND。一般是在電源引腳和GND之間並聯一些容值較小的（典型值0.1uF）電容，如圖 2所示，用於將高頻噪聲短路到GND，從而避免噪聲進入器件的供電引腳。

濾除高頻噪聲是旁路電容最主要的功能，但是如果考慮一下電容是如何完成這個功能的，或者說電容是如何做到通交流，隔直流的。其實本質也是電容作為一個電能的儲能器件，在兩極板間電壓差很快增大時，給電容充電；電壓差減小時，電容放電。從這個角度分析的話，旁路電容也可以看成一種小的電能儲存器（Energy Reservoir），與後面介紹的去耦電容和Bulk電容有相似之處。

去耦電容

去耦電容（De-coupling Capacitor），在一些文獻中認為去耦電容就是旁路電容。另外一些文獻中提出了去耦電容與旁路電容的區別在於："旁路電容是把輸入信號中的幹擾作為濾除對象，而去耦電容是把輸出信號的幹擾作為濾除對象，防止幹擾信號返回電源。"

暫時我無法判斷哪一種說法更加準確，但既然有提出不同的觀點，就介紹一下：

從名稱來看去耦就是去除耦合的作用。那麼什麼是耦合，是什麼和什麼之間的耦合，以及為什麼會發生耦合。

這裡的耦合指的是前一級輸出與後一級器件輸入之間的耦合。所謂的耦合是指"數字電路中，當電路從一個狀態轉換為另一種狀態時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓，會影響前級的正常工作。這就是耦合。"在這個理解中，與前面提到的導致供電電源電壓波動的第二種原因非常接近，是由於後一級器件拉電流的增大導致電源電壓的波動產生從而影響的其他器件。

去耦電容對於解決這種問題的作用就是充當儲能電池的作用，滿足驅動電路的電流變化，從而避免相互之間的耦合幹擾。

綜上，去耦電容有兩種作用。第一是與旁路電容相似的功能，旁路掉器件輸出的高頻噪聲；第二是充當儲能電容，在負載所需電流突然增大時提供電能，滿足驅動電路的電流變化。這一點和Bulk電容的功能有非常類似，兩者的區別稍後討論。

Bulk電容

Bulk電容的作用非常明確，就是用於在電源供電負載瞬時需要大電流時，可以為電路提供足夠的電流，以保證電源供電電壓的穩定，相當於Energy Reservoir。所以Bulk電容一般選擇容值較大的極性電解電容，一般與regulator的output引腳並行排列。

Bulk電容的儲能作用與去耦電容的儲能作用很類似，那麼兩者的區別是什麼呢？兩者在這個功能上卻是沒有本質的區別，但是Bulk電容覆蓋的面積更大，往往覆蓋的是一片區域，所能儲存和提供的能力更多。而去耦電容可以說是用於本地的，每個晶片配有自己的去耦電容。去耦電容相比與bulk電容，儲能較少，但是反應速度更快，高頻信號引腳旁特別需要放置去耦電容，且距離足夠的近。這點是Bulk電容無法做到的，因為Bulk電容體積較大。當這些引腳高速變化時，旁邊的去耦電容為其提供足夠的能量。

耦合電容

耦合電容（Coupling Capacitor），與去耦電容將高頻AC信號阻斷相對應，耦合電容用於串聯在高速鏈路的兩端，目的是讓AC信號通過，阻隔DC信號。

文章來源：CSDN

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