高速PCB中旁路電容的分析

1 引言

隨著系統(tǒng)體積的減小，工作頻率的提高，系統(tǒng)的功能復(fù)雜化，這樣就需要多個(gè)不同的嵌入式功能模塊同時(shí)工作。只有各個(gè)模塊具有良好的EMC和較低的EMI，才能保證整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。這就要求系統(tǒng)自身不僅需要具有良好的屏蔽外界干擾的性能，同時(shí)還要求在和其他的系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，不能對(duì)外界產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。另外，開(kāi)關(guān)電源在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，一個(gè)系統(tǒng)中往往需要用到多種電源。不僅電源系統(tǒng)容易受到干擾，而且電源供應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。因此，在高速PCB設(shè)計(jì)中，如何更好的濾除電源噪聲是保證良好電源完整性的關(guān)鍵。本文分析了電容的濾波特性，電容的寄生電感電容的濾波性能帶來(lái)的影響，以及PCB中的電流環(huán)現(xiàn)象，繼而針對(duì)如何選擇旁路電容做出了一些總結(jié)。本文還著重分析了電源噪聲和地彈噪聲的產(chǎn)生機(jī)理并在其基礎(chǔ)上對(duì)旁路電容在PCB中的各種擺放方式做出了分析和比較。

2 電容的插入損耗特性、頻率響應(yīng)特性與電容的濾波特性

2.1 理想電容的插入損耗特性

EMI電源濾波器對(duì)干擾噪聲的抑制能力通常用插入損耗（Insertion Loss）特性來(lái)衡量。插入損耗的定義為：沒(méi)有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率P1和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率P2之比，用dB（分貝）表示。圖1是理想電容的插入損耗特性，可以看出，1μF電容對(duì)應(yīng)的插入損耗曲線斜率接近20dB/10倍頻。

觀察其中某一條插入損耗特性，當(dāng)頻率增加時(shí)，電容的插入損耗值是增加的，也就是說(shuō)P1/P2值是增加的，這意味著系統(tǒng)通過(guò)電容濾波以后，能夠傳輸?shù)截?fù)載的噪聲減少，電容濾除高頻噪聲的能力增強(qiáng)。從理想電容的公式分析，當(dāng)電容一定時(shí)，信號(hào)頻率越高，回路阻抗越低，也即電容易于濾除高頻的成分。從兩個(gè)方面得出的結(jié)論是相同的。

再觀察不同電容所對(duì)應(yīng)的曲線，在頻率很低的情況下，各種電容所對(duì)應(yīng)的插入損耗值是近似相同的，但是隨著頻率的增加，小電容的插入損耗值增加的幅度較大電容要慢一些，P1/P2值增加得也就較慢，也就是說(shuō)大電容更容易濾除低頻噪聲。因而我們?cè)谠O(shè)計(jì)高速電路板時(shí)，通常在電路板的電源接入端放置一個(gè)1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個(gè)器件的電源與地線之間放置一個(gè)0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。

連接在電源和地之間的電容的阻抗可由如下公式計(jì)算：，電容濾波的目的是濾除疊加在電源系統(tǒng)中的交流成分，從上面的公式可以看出，當(dāng)頻率一定時(shí)，電容值越大，回路中的阻抗就越小，這樣交流信號(hào)就越容易通過(guò)電容流到地平面上去，換句話說(shuō)，即似乎電容值越大其濾波效果越好，事實(shí)上并非如此，因?yàn)閷?shí)際電容并不具有理想電容的所有特性。實(shí)際電容存在寄生成分，這是構(gòu)造電容器極板和引線時(shí)所形成的，而這些寄生成分可等效為串聯(lián)在電容上的電阻與電感，通常稱之為等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感(ESL)，其模型如圖2的左半部分所示。如果忽略電容的寄生電阻則模型可等效為圖2的右半部分。這樣電容實(shí)際上就是一個(gè)串聯(lián)諧振電路。在實(shí)際的電路或者PCB設(shè)計(jì)中，電容寄生電感的存在將對(duì)電容的濾波性能帶來(lái)很大的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選擇寄生電感比較小的電容。

2.2 實(shí)際電容的高頻響應(yīng)特性

從2.1節(jié)我們知道，實(shí)際電容在工作時(shí)由于存在寄生電感的緣故，使得電容回路成為一個(gè)串聯(lián)諧振回路。諧振頻率為，式中：L為等效電感；C為實(shí)際電容。如圖3所示，當(dāng)頻率小于f0時(shí)，呈現(xiàn)為電容；頻率大于f0時(shí)，呈現(xiàn)為電感。所以，電容器更像是一個(gè)帶阻濾波器，而不是一個(gè)低通濾波器。電容的ESL和ESR是由電容的構(gòu)造和所用介質(zhì)材料決定的，與電容容量無(wú)關(guān)。對(duì)于高頻的抑制能力并不會(huì)因?yàn)楦鼡Q大容量的同類型電容而增強(qiáng)。更大容量的同類型電容器的阻抗在頻率低于f0時(shí)，比小容量電容器的阻抗小，但是，當(dāng)頻率大于f0時(shí)，ESL決定了二者的阻抗沒(méi)有差別?？梢?jiàn)，為了改進(jìn)高頻濾波特性，必須使用具有較低ESL的電容器。任何一種電容器的有效頻率范圍是有限的，而對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，既有低頻噪聲，又有高頻噪聲，所以通常要用不同類型的電容并聯(lián)來(lái)達(dá)到更寬的有效頻率范圍。