去耦電容的選擇、容值計算和布局布線 >>深圳市永阜康電子有限公司

去耦電容的容值計算和布局布線

有源器件在開關時產生的高頻開關噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播，和將噪聲引導到地。

去耦電容的容值計算

去耦的初衷是：不論IC對電流波動的規定和要求如何都要使電壓限值維持在規定的允許誤差范圍之內。使用表達式：
C⊿U=I⊿t

由此可計算出一個IC所要求的去耦電容的電容量C。

⊿U是實際電源總線電壓所允許的降低，單位為V。

I是以A（安培）為單位的最大要求電流；

⊿t是這個要求所維持的時間。

去耦電容容值計算方法：推薦使用遠大于1/m乘以等效開路電容的電容值。
此處m是在IC的電源插針上所允許的電源總線電壓變化的最大百分數，一般IC的數據手冊都會給出具體的參數值。

等效開路電容定義為：
C=P/(fU^2) 式中：
P——IC所耗散的總瓦數；

U——IC的最大DC供電電壓；

f——IC的時鐘頻率。

電容的容值選擇一般取決于電容的諧振頻率。

不同封裝的電容有不同的諧振頻率，下表列出了不同容值不同封裝的電容的諧振頻率：

需要注意的是數字電路的去耦，低的ESR值比諧振頻率更為重要，因為低的ESR值可以提供更低阻抗的到地通路，這樣當超過諧振頻率的電容呈現感性時仍能提供足夠的去耦能力。

降低去耦電容ESL的方法：

去耦電容的ESL是由于內部流動的電流引起的，使用多個去耦電容并聯的方式可以降低電容的ESL影響，而且將兩個去耦電容以相反走向放置在一起，從而使它們的內部電流引起的磁通量相互抵消，能進一步降低ESL。（此方法適用于任何數目的去耦電容，注意不要侵犯DELL公司的專利）

IC去耦電容的數目選擇

在設計原理圖的時候，經常遇到的問題是為芯片的電源引腳設計去耦電容，上面已經介紹了去耦電容的容值選擇，但是數目選擇怎么確定呢？理論上是每個電源引腳最好分配一個去耦電容，但https://mp.weixin.qq.com/cgi-bin/appmsg?t=media/appmsg_edit&action=edit&type=10&isMul=1&isNew=1&lang=zh_CN&token=1045897676是在實際情況中，卻經常看到去耦電容的數目要少于電源引腳數目的情況，如freescale提供的iMX233的PDK原理圖中，內存SDRAM有15個電源引腳，但是去耦電容的數目是10個。

去耦電容數目選擇依據：

在布局空間允許的情況下，最好做到一個電源引腳分配一個去耦電容，但是在空間不足的時候，可以適當削減電容的數目，具體情況應該根據芯片上電源引腳的具體分布決定，因為廠家在設計IC的時候，經常是幾個電源引腳在一起，這樣可以共用去耦電容，減少去耦電容的數目。

電容的安裝方法電容的擺放

對于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率，去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠，最外層放置容值最大的。但是，所有對該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。另外的一個原因是：如果去耦電容離IC電源引腳較遠，則布線阻抗將減小去耦電容的效力。

還有一點要注意，在放置時，最好均勻分布在芯片的四周，對每一個容值等級都要這樣。通常芯片在設計的時候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個邊上的。因此，電壓擾動在芯片的四周都存在，去耦也必須對整個芯片所在區域均勻去耦。

電容的安裝

在安裝電容時，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也是同樣。放置過孔的基本原則就是讓這一環路面積最小，進而使總的寄生電感最小。圖16顯示了幾種過孔放置方法。

第一種方法從焊盤引出很長的引出線然后連接過孔，這會引入很大的寄生電感，一定要避免這樣做，這時最糟糕的安裝方式。

第二種方法在焊盤的兩個端點緊鄰焊盤打孔，比第一種方法路面積小得多，寄生電感也較小，可以接受。

第三種在焊盤側面打孔，進一步減小了回路面積，寄生電感比第二種更小，是比較好的方法。

第四種在焊盤兩側都打孔，和第三種方法相比，相當于電容每一端都是通過過孔的并聯接入電源平面和地平面，比第三種寄生電感更小，只要空間允許，盡量用這種方法。

最后一種方法在焊盤上直接打孔，寄生電感最小，但是焊接是可能會出現問題，是否使用要看加工能力和方式。推薦使用第三種和第四種方法。

需要強調一點：有些工程師為了節省空間，有時讓多個電容使用公共過孔。任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優化電容組合的設計，減少電容數量。由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡量加寬，如果可能，盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容，你也可以使用20mil 寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖17所示，注意圖中的各種尺寸。

對于大尺寸的電容，比如板級濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。注意：小尺寸電容禁止在兩個焊盤間打孔，因為容易引起短路。

電容的去耦半徑

對于大尺寸的電容，比如板級濾波所用的鉭電容，推薦用圖18中的安裝方法。注意：小尺寸電容禁止在兩個焊盤間打孔，因為容易引起短路。

電容的去耦半徑

電容去耦的一個重要問題是電容的去耦半徑。大多數資料中都會提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數資料都是從減小回路電感的角度來談這個擺放距離問題。確實，減小電感是一個重要原因，但是還有一個重要的原因大多數資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。

理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補償電流之間的相位關系。當芯片對電流的需求發生變化時，會在電源平面的一個很小的局部區域內產生電壓擾動，電容要補償這一電流（或電壓），就必須先感知到這個電壓擾動。信號在介質中傳播需要一定的時間，因此從發生局部電壓擾動到電容感知到這一擾動之間有一個時間延遲。同樣，電容的補償電流到達擾動區也需要一個延遲。因此必然造成噪聲源和電容補償電流之間的相位上的不一致。

特定的電容，對與它自諧振頻率相同的噪聲補償效果最好，我們以這個頻率來衡量這種相位關系。設自諧振頻率為f，對應波長為λ，補償電流表達式可寫為：

其中，A是電流幅度，R為需要補償的區域到電容的距離，C為信號傳播速度。當擾動區到電容的距離達到λ/4時，補償電流的相位為π，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時補償電流不再起作用，去耦作用失效，補償的能量無法及時送達。為了能有效傳遞補償能量，應使噪聲源和補償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距離越近，相位差越小，補償能量傳遞越多，如果距離為0，則補償能量百分之百傳遞到擾動區。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠小于λ/4。實際應用中，這一距離最好控制在λ/40-λ/50之間，這是一個經驗數據。

例如：0.001uF陶瓷電容，如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH，那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz，諧振周期為 7.95ps。假設信號在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸，大約等于 2.4厘米。本例中的電容只能對它周圍2.4厘米范圍內的電源噪聲進行補償，即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容，諧振頻率不同，去耦半徑也不同。對于大電容，因為其諧振頻率很低，對應的波長非常長，因而去耦半徑很大，這也是為什么我們不太關注大電容在電路板上放置位置的原因。對于小電容，因去耦半徑很小，應盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多數資料上都會反復強調的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。

綜上所述，在選擇去耦電容時，需要考慮的因素有電容的ESR、ESL值，諧振頻率，布局時要注意根據IC電源引腳的數目和周圍布局空間決定去耦電容數目，根據去耦半徑決定具體的布局位置。