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电容去耦原理(解释十分透彻)

采用电容去耦是解决电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度,降低电源分配系统的阻抗都非常有效。

对于电容去耦,很多资料中都有涉及,但是阐述的角度不同。有些是从局部电荷存储(即储能)的角度来说明,有些是从电源分配系统的阻抗的角度来说明,还有些资料的说明更为混乱,一会提储能,一会提阻抗,因此很多人在看资料的时候感到有些迷惑。其实,这两种提法,本质上是相同的,只不过看待问题的视角不同而已。

1. 从储能的角度来说明电容退耦原理。

在制作电路板时,通常会在负载芯片周围放置很多电容,这些电容就起到电源退耦作用。其原理可用图1说明。

(公式1)

只要电容量C足够大,只需很小的电压变化,电容就可以提供足够大的电流,满足负载瞬态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里,相当于电容预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,即电容是储能元件。储能电容的存在使负载消耗的能量得到快速补充,因此保证了负载两端电压不至于有太大变化,此时电容担负的是局部电源的角色。

从储能角度理解电容容易造成一种错觉,认为电容越大越好。而且容易误导大家认为储能作用发生在低频段,不容易向高频扩展。实际上,从储能角度理解,可以解释任何电容的功能。下面举例。

图2 电容储能作用向高频扩展

如上图所示,假设在低频段,比如几十khz,由于低频信号在电感上产生的感抗可以忽略,所以在低频段电容的ESL可以近似等于0。当负载瞬间(几十khz)需要大电流的时候,电容可以通过ESR向负载供电,供电的实时性很高,eSR只是消耗了一部分电量,但不影响供电的实时性。由于频率比较低,所以放电时间也比较长(频率的倒数),所以需要电容的容量较大一些,可以长时间放电。所以低频段储能好理解。

同样大的电容,假设负载突变的频率较高(几十Mhz或者更高),那么当负载顺么变化的时候(几十Mhz或者更高),ESL上形成的感抗不容忽视,这个感抗会产生一个反向电动势去阻止电容向负载供电,所以负载上实际获得的电流的瞬态性能比较差,即,电容的电流无法供应瞬间的电流突变,尽管电容容量很大,但由于ESL较大,此时的大容量储能发挥不了作用。实际上,频率较高,电容给负载供电的时间缩短(频率的倒数),也不需要电容有那么大的储能。对于高频,关键的因素是ESL,要降低电容的ESL,选择小封装的小电容,ESL显著降低,这就是为什么我们高频选择小电容的原因,另外走线长度引入的电感也会折算到ESL参数里,所以小电容一定要靠近pin。

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