淺談PCB中的去耦電容設計
2021-01-08 電子發燒友物聯產品&電 發表於 2021-01-07 14:30:28
旁路和去耦是指防止有用能量從一個電路傳到另一個電路中，並改變噪聲能量的傳輸路徑，從而提高電源分配網絡的品質。它有三個基本概念：電源、地平面，元件和內層的電源連接。
去耦是當器件進行高速開關時，把射頻能量從高頻器件的電源端洩放到電源分配網絡。去耦電容也為器件和元件提供一個局部的直流源，這對減小電流在板上傳播浪湧尖峰很有作用。
在數字電路及IC控制器電路中，必須要進行電源去耦。當元件開關消耗直流能量時，沒有去耦電容的電源分配網絡中將發生一個瞬時尖峰。這是因為電源供電網絡中存在著一定的電感，而去耦電容能提供一個局部的沒有電感的或者說很小電感的電源。通過去耦電容，把電壓保持在一個恆定的參考點，阻止了錯誤的邏輯轉換，同時還能減小噪聲的產生，因為它能提供給高速開關電流一個最小的迴路面積來代替元件和遠端電源間的大的回流面積，如下圖所示。
從圖示中可以看到，PCB中的去耦電容可大大減小電流環路面積。去耦電容的另一個作用是提供局部的能量儲存源，可以減小電源供電的輻射路徑。電路中的RF能量的產生和I·A·f成正比的，這裡I是回流的電流；A是迴路的面積；f是電流的頻率。由於電流和頻率在選擇器件時已確定，要想減小輻射，那麼減小電流的迴路面積變得非常重要。在有去耦電容的電路中，電流在小的RF電流迴路中流動，從而減小RF能量。可以通過放置去耦電容可以得到小的迴路面積。
如上圖所示，ΔU是L·di/dt在地線上產生的噪聲，它在去耦電容中流動。這個ΔU驅動著板上的地結構和分配系統中的共模電壓流向整個電路板。因此減小ΔU與地阻抗有關，也與去耦電容的用法及位置有關。
去耦也是克服物理的和時序的約束的一種方法，它是通過在信號線和電源線及平面間提供一個低阻抗的電源來實現的。在頻率升高到自諧振點之前，隨著頻率的升高，去耦電容的阻抗會越來越低，這樣高頻噪聲會有效的從信號線上洩放，這時剩下的低頻輻射能量就沒有什麼影響了。根據去耦電容的原理，如果增加從電源線吸收能量的難度，就會使大部分能量從去耦電容中獲得，充分發揮去耦電容的作用，同時電源線上也將產生更小的di/dt噪聲。根據這樣的方法，可以人為增加電源線上的阻抗。
在IC電源供電線上串聯鐵氧體磁珠是一種常用的方法，由於鐵氧體磁珠對高頻電流呈現較大的阻抗，因此增強了電源去耦電容的效果。
旁路是把不必要的共模RF能量從元件或線纜中洩放掉。它的實質是產生一個交流支路來把不希望的能量從易受影響的區域洩放掉。另外，它還提供濾波功能。其濾波的能力顯然還是其自身的帶寬的限制。有時把旁路也統稱為濾波的設計。旁路或濾波通常應用在電源與地之間、信號與地之間或者不同的地之間，它與去耦有所不同。但是對於電容的使用方法來說是一樣的，因此通常描述有關電容的特性都適用於去耦和旁路。
儲能是當所用的信號引腳在最大容量負載下同時開關時，用來保持提供給器件的恆定的直流電壓和電流。它還能阻止由於器件的di/dt電流浪湧而引起的電源跌落。如果說去耦是高頻的範疇，那麼儲能可以理解為低頻的範疇。
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