电容应用知识精髓

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1、电容应用知识精髓电容应用知识精髓电源完整性设计（电源完整性设计（1515）电容的去耦半径）电容的去耦半径 电容的去耦半径电容的去耦半径电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。确实，减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及，那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远，超出了它的去耦半径，电容将失去它的去耦的作用。理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电

2、流（或电压） ，就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐振频率为 f，对应波长为，补偿电流表达式可写为：其中，A 是电流幅度，R 为需要补偿的区域到电容的距离，C 为信号传播速度。当扰动区到电容的距离达到时，补偿电流的相位为，和噪声源相位刚好差 180度，即完全反相。此时补偿电流不再起作用，去耦作用失效，补偿的能量无法及时送

3、达。为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多，如果距离为 0，则补偿能量百分之百传递到扰动区。这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要远小于。实际应用中，这一距离最好控制在之间，这是一个经验数据。例如：0.001uF 陶瓷电容，如果安装到电路板上后总的寄生电感为 1.6nH，那么其安装后的谐振频率为 125.8MHz，谐振周期为 7.95ps。假设信号在电路板上的传播速度为166ps/inch，则波长为 47.9 英寸。电容去耦半径为 47.9/50=0.958 英寸，大约等于 2.4 厘米。本例中的电容只能对它周围 2

4、.4 厘米范围内的电源噪声进行补偿，即它的去耦半径 2.4 厘米。 不同的电容，谐振频率不同，去耦半径也不同。对于大电容，因为其谐振频率很低，对应 的波长非常长，因而去耦半径很大，这也是为什么我们不太关注大电容在电路板上放置位 置的原因。对于小电容，因去耦半径很小，应尽可能的靠近需要去耦的芯片，这正是大多 数资料上都会反复强调的，小电容要尽可能近的靠近芯片放置。电源完整性设计（电源完整性设计（1313）ESRESR 对反谐振的影响对反谐振的影响 ESR 对反谐振（对反谐振（Anti-Resonance）的影响）的影响Anti-Resonance 给电源去耦带来麻烦，但幸运的是，实际情况不会像图

5、 12 显示的那么糟糕。实际电容除了 LC 之外，还存在等效串联电阻 ESR。 因此，反谐振点处的阻抗也不会是无限大的。实际上，可以通过计算得到反谐振点处的阻 抗为 现代工艺生产的贴片电容，等效串联阻抗很低，因此就有办法控制电容并联去 耦时反谐振点处的阻抗。等效串联电阻 ESR 使整个电源分配系统的阻抗特性趋于平坦。其中，X 为反谐振点处单个电容的阻抗虚部（均相等）。电源完整性设计（电源完整性设计（1212）不同容值电容的并联）不同容值电容的并联时间:2009-04-13 23:26来源:未知 作者:于博士 点击: 3353 次不同容值电容的并联与反谐振（不同容值电容的并联与反谐振（Anti-

6、Resonance）容值不同的电容具有不同的谐振点。图 11 画出了两个电容阻抗随频率变化的曲线。图 11 两个不同电容的阻抗曲线左边谐振点之前，两个电容都呈容性，右边谐振点后，两个电容都呈感性。在两个谐振点之间，阻抗曲线交叉，在交叉点处，左边曲线代表的电容呈感性，而右边曲线代表的电容呈容性，此时相当于 LC 并联电路。对于 LC 并联电路来说，当 L 和 C 上的电抗相等时，发生并联谐振。因此，两条曲线的交叉点处会发生并联谐振，这就是反谐振效应，该频率点为反谐振点。图 12 不同容值电容并联后阻抗曲线两个容值不同的电容并联后，阻抗曲线如图 12 所示。从图 12 中我们可以得出两个结论：a

7、不同容值的电容并联，其阻抗特性曲线的底部要比图 10 阻抗曲线的底部平坦得多（虽然存在反谐振点，有一个阻抗尖峰） ，因而能更有效地在很宽的频率范围内减小阻抗。b 在反谐振（Anti-Resonance）点处，并联电容的阻抗值无限大，高于两个电容任何一个单独作用时的阻抗。并联谐振或反谐振现象是使用并联去耦方法的不足之处。在并联电容去耦的电路中，虽然大多数频率值的噪声或信号都能在电源系统中找到低阻抗 回流路径，但是对于那些频率值接近反谐振点的，由于电源系统表现出的高阻抗，使得这 部分噪声或信号能量无法在电源分配系统中找到回流路径，最终会从 PCB 上发射出去（空 气也是一种介质，波阻抗只有几百欧姆

8、） ，从而在反谐振频率点处产生严重的 EMI 问题。 因此，并联电容去耦的电源分配系统一个重要的问题就是：合理的选择电容，尽可能的压 低反谐振点处的阻抗。电源完整性设计（电源完整性设计（1111）相同容值电容的并联）相同容值电容的并联相同容值电容的并联相同容值电容的并联使用很多电容并联能有效地减小阻抗。63 个 0.0316 uF 的小电容（每个电容 ESL 为 1 nH）并联的效果相当于一个具有 0.159 nH ESL 的 1.9908 uF 电容。图 10 多个等值电容并联单个电容及并联电容的阻抗特性如图 10 所示。并联后仍有相同的谐振频率，但是并联电容在每一个频率点上的阻抗都小于单个电容。但是，从图中我们看到，阻抗曲线呈 V 字型，随着频率偏离谐振点，其阻抗仍然上升的很 快。要在很宽的频率范围内满足目标阻抗要求，需要并联大量的同值电容。这不是一种好 的方法，造成极大地浪费。有些人喜欢在电路板上放置很多 0.1uF 电容，如果你设计的电 路工作频率很高，信号变化很快，那就不要这样做，最好使用不同容值的组合来构成相对 平坦的阻抗曲线。