从两个角度解释电容退耦原理(很详细)

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从两个角度解释电容退耦原理(很详细)

采用电容退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。

对于电容退耦,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。为了让大家有个清楚的认识,本文分别介绍一下这两种解释。

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:(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。

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。

图片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 等效电源

对于这个电路可写出如下等式:(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。

正确使用电容进行电源退耦,必须了解实际电容的频率特性。理想电容器在实际中是不存在的,这就是为什么经常听到“电容不仅仅是电容”的原因。

实际的电容器总会存在一些寄生参数,这些寄生参数在低频

时表现不明显,但是高频情况下,其重要性可能会超过容值本身。图4 是实际电容器的SPICE 模型,图中,ESR 代表等效串联电阻,ESL 代表等效串联电感或寄生电感,C 为理想电容。

图4 电容模型

等效串联电感(寄生电感)无法消除,只要存在引线,就会有寄生电感。这从磁场能量变化的角度可以很容易理解,电流发生变化时,磁场能量发生变化,但是不可能发生能量跃变,表现出电感特性。

寄生电感会延缓电容电流的变化,电感越大,电容充放电阻抗就越大,反应时间就越长。等效串联电阻也不可消除的,很简单,因为制作电容的材料不是超导体。

讨论实际电容特性之前,首先介绍谐振的概念。对于图4 的电容模型,其复阻抗为:(公式3)

当频率很低时,远小于,整个电容器表现为电容性,当频率很高时,大于,电容器此时表现为电感性,因此“高频时电容不再是电容”,而呈现为电感。当时,此时容性阻抗矢量与感性阻抗之差为0,电容的总阻抗最小,表现为纯电阻特性。

该频率点就是电容的自谐振频率。自谐振频率点是区分电容是容性还是感性的分界点,高于谐振频率时,“电容不再是电容”,因此退耦作用将下降。因此,实际电容器都有一定的工

作频率范围,只有在其工作频率范围内,电容才具有很好的退耦作用,使用电容进行电源退耦时要特别关注这一点。

寄生电感(等效串联电感)是电容器在高于自谐振频率点之后退耦功能被消弱的根本原因。图5 显示了一个实际的0805 封装0.1uF 陶瓷电容,其阻抗随频率变化的曲线。图5 电容阻抗特性电容的自谐振频率值和它的电容值及等效

串联电感值有关,使用时可查看器件手册,了解该项参数,确定电容的有效频率范围。下面列出了AVX 生产的陶瓷电容不同封装的各项参数值。电容的等效串联电感和生产工艺和封装尺寸有关,同一个厂家的同种封装尺寸的电容,其等效串联电感基本相同。通常小封装的电容等效串联电感更低,宽体封装的电容比窄体封装的电容有更低的等效串联电感。既然电容可以看成RLC 串联电路,因此也会存在品质因数,即Q 值,这也是在使用电容时的一个重要参数。

电路在谐振时容抗等于感抗,所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等,电容上的电压有效值

UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU,品质因数Q=1/ωCR,这里I 是电路的总电流。电感上的电压有效值UL=ωLI=ωL*U/R=QU,品质因数Q=ωL/R。因为:UC=UL 所以Q=1/ωCR=ωL/R。电容上的电压与外加信号电压U 之比UC/U=(I*1/ωC)

/R I=1/ωCR=Q。电感上的电压与外加信号电压U 之比

UL/U=ωLI/RI=ωL/R=Q。从上面分析可见,电路的品质因数

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