PCB中的去耦设计

本节主要讨论PCB中的去耦设计，主要包括以下三部分内容

1.去耦的两种解释

2.去耦电容的选择方法

3.耦电容的安装方式与PCB设计

去耦(Decoupling)：当器件高速开关时，高速器件需要从电源分配网络吸收瞬态能量。去耦电容也为器件和元件提供一个局部的直流源，这对减小由于电流在板上传播而产生的尖峰很有用。去耦电容通过在信号线和电源平面间提供一个低阻抗的电源来实现，在频率升高到自谐振点之前，随着频率升高，去耦电容的阻抗会越来越低。这样，高频噪声会有效地从信号线上泄放，这时余下的低频能量的影响就比较小了。

1.去耦的两种解释：

解释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。

图 1 去耦电路

当负载电流不变时，其电流由稳压电源部分提供，即图中的 I0，方向如图所示。此时电容两端电压与负载两端电压一致，电流 Ic 为 0，电容两端存储相当数量的电荷，其电荷数量和电容量有关。当负载瞬态电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化，因此，电流 I0  不会马上满足负载瞬态电流要求，因此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同，因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必然产生电流，此时电容对负载放电，电流 Ic 不再为 0，为负载芯片提供电流。根据电容等式：

I=C*dV/dt------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。
从储能的角度来理解电源退耦，非常直观易懂，但是对电路设计帮助不大。从阻抗的角度理解电容退耦，能让我们设计电路时有章可循。实际上，在决定电源分配系统的去耦电容量的时候，用的就是阻抗的概念。

解释2：从阻抗的角度来理解退耦原理

将图 1 中的负载芯片拿掉，如图 2 所示。从 AB 两点向左看过去，稳压电源以及电容退耦系统一起，可以看成一个复合的电源系统。这个电源系统的特点是：不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化，都能保证 AB 两点间的电压保持稳定，即 AB 两点间电压变化很小。

图2电源部分

我们可以用一个等效电源模型表示上面这个复合的电源系统，如图 3

图 3 等效电路

对于这个电路可写出如下等式：

∆V=Z*∆I------公式 2

我们的最终设计目标是，不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化，都要保持 AB 两点间电压变化范围很小，根据公式 2，这个要求等效于电源系统的阻抗 Z 要足够低。在图 2 中，我们是通过去耦电容来达到这一要求的，因此从等效的角度出发，可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。另一方面，从电路原理的角度来说，可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。
从阻抗的角度理解电容退耦，可以给我们设计电源分配系统带来极大的方便。实际上，电源分配系统设计的最根本的原则就是使阻抗最小。最有效的设计方法就是在这个原则指导下产生的。

2.去耦电容的选择方法

方法一：利用电源驱动的负载计算电容量
设负载（容性）为 30pF，要在 2ns 内从 0V 驱动到 3.3V，瞬态电流为：                                                                  I=C*dV/dt=30pF*3.3V/2.2ns=49.5mA

如果共有 36 个这样的负载需要驱动，则瞬态电流为：36*49.5mA=1.782A。假设容许电压波动为：3.3*2.5%=82.5 mV，所需电容量为
                                    C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825V=43.2nF
说明：所加的电容实际上作为抑制电压波纹的储能元件，该电容必须在 2ns 内为负载提供1.782A 的电流，同时电压下降不能超过 82.5 mV，因此电容值应根据 82.5 mV 来计算。记住：电容放电给负载提供电流，其本身电压也会下降，但是电压下降的量不能超过 82.5 mV（容许的电压波纹）。这种计算没什么实际意义，之所以放在这里说一下，是为了让大家对去耦原理认识更深。

方法二：利用目标阻抗计算电容量（设计思想很严谨，要吃透）

为了清楚的说明电容量的计算方法，我们用一个例子。要去耦的电源为 1.2V，容许电压波动为 2.5%，最大瞬态电流 600mA，

第一步：计算目标阻抗

XMAX=VDD*Ripple/∆IMAX=1.2 0.025/0.6=50mΩ

第二步：确定稳压电源频率响应范围。

和具体使用的电源片子有关，通常在 DC 到几百 kHz 之间。这里设为 DC 到 100kHz。在 100kHz 以下时，电源芯片能很好的对瞬态电流做出反应，高于 100kHz 时，表现为很高的阻抗，如果没有外加电容，电源波动将超过允许的 2.5%。为了在高于 100kHz 时仍满足电压波动小于 2.5%要求，应该加多大的电容？

第三步：计算电容量
当频率处于电容自谐振点以下时，电容的阻抗可近似表示为：

ZC=1/2*π*f*c

频率 f 越高，阻抗越小，频率越低，阻抗越大。在感兴趣的频率范围内，电容的最大阻抗不能超过目标阻抗，因此使用 100kHz 计算（电容起作用的频率范围的最低频率，对应电容最高阻抗）。

C=1/2*π*f*XMAX=31.831uF

第四步：计算 bulk 电容的最高有效频率
当频率处于电容自谐振点以上时，电容的阻抗可近似表示为：

ZC=2*π*f*ESL

频率 f 越高，阻抗越大，但阻抗不能超过目标阻抗。假设 ESL 为 5nH，则最高有效频率为：fmax=XMAX/2*π*ESL=1.6MHz。

这样一个大的电容能够让我们把电源阻抗在 100kHz 到1.6MHz 之间控制在目标阻抗之下。当频率高于 1.6MHz 时，还需要额外的电容来控制电源系统阻抗。

第五步：计算频率高于 1.6MHz 时所需电容
如果希望电源系统在 500MHz 以下时都能满足电压波动要求，就必须控制电容的寄生电感量。必须满足

2*π*f*LMAX×≤XMAX ，

所以有：

LMAX≤XMAX/(2*π*500MHz)=0.016nH

假设使用 AVX 公司的 0402 封装陶瓷电容，寄生电感约为 0.4nH，加上安装到电路板上后过孔的寄生电感（本文后面有计算方法）假设为 0.6nH，则总的寄生电感为 1 nH。为了满足总电感不大于 0.16 nH 的要求，我们需要并联的电容个数为：1/0.016=62.5 个，因此需要63 个 0402 电容。

为了在 1.6MHz 时阻抗小于目标阻抗，需要电容量为：

C=1/(2*π*1.6MHz*XMAX)=1.9894uF

因此每个电容的电容量为 

                                                    1.9894/63=0.0316 uF
综上所述，对于这个系统，我们选择 1 个31.831 uF 的大电容和 63 个 0.0316 uF 的小电容即可满足要求。

注意：以上基于目标阻抗的计算，只是为了说明这种方法的基本原理，实际中不能这样简单的计算就了事，因为还有很多问题需要考虑。学习的重点是这种方法的核心思想。

3、去耦电容的安装方式与PCB设计

安装去耦电容时，一般都知道使电容的引线尽可能短。但是，实践中往往受到安装条件的限制，电容的引线不可能取得很短。况且，电容自身的寄生电感只是影响自谐振频率的因素之一，自谐振频率还与过孔的寄生电感、相关印制板导线的寄生电感等因素有关。一味地追求引线短，不仅困难，而且可能根本达不到目的。当去耦电容在PCB上的位置不可能实现使用很短的印制导线时，就必须加粗印制线。实践证明，一根长宽比小于3的印制线具有非常低的阻抗，能满足去耦电容引线的要求。当然，还需要尽量减少过孔的数量，设计过孔的时候应尽可能减小过孔的寄生电感。

本文部分参考自《于博士SI设计手记》