去耦电容的设计

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作用。

 

在实际电路设计中,时钟等周期工作电路器件要进行重点的去耦处理。这是因为这些器件产生的开关能量相对集中,幅度较高,并会注入电源和地分配系统中。这种能量将以共模和差模的形式传到其它电路或控制系统中。去耦电容的自谐振频率必须要高于抑制时钟谐波的频率。典型地,当电路中信号沿为2ns或更小时,选择自谐振频率为10~30MHz的电容。常用的去耦电容是0.1uF再并联0.001uF。

 

注意:对于200~300MHz以上频率的供电电源,0.1uF并联0.001uF的电容器由于引线电感及电容的充放电速率影响就不太适用了。通常在多层PCB板中电源层与地层之间的分布电容,其自谐振频率为200~400MHz,如果元器件工作频率很高,借助PCB层结构的自谐振频率,作为一个大电容来提供很好的EMI抑制效果,通常一个10cm2面积的电源层与地层平面,当距离为0.0254mm时,其间电容近似为225pF左右。

 

在PCB上进行元件放置时,要保证有足够的去耦电容,特别是对时钟发生电路来说,还要保证旁路和去耦电容的选取满足预期的应用;自谐振频率要考虑所有要抑制的时钟的谐波,通常情况下,要考虑原始时钟频率的5次谐波。

 

再通过一个电路设计中计算去耦电容的方法作为参考原理进行分析,但在实际中电路中并不适用。假如,电路中有10个数据驱动器同时进行开关输出,其边沿速率为1ns,负载电容为30pF,电压为2.5V,允许波动范围为±2%,则最简单的一种方法就是计算负载的瞬间消耗电流,计算方法如下:

1)计算负载需要的电流和所需的电容大小利用公式(1.1)、(1.2)计算

       I=C·du/dt             (1.1)

      C=I·dt/du             (1.2)

式(1.1)和式(1.2)中,I为瞬态负载电流,单位为(A);du为电压变化率,单位为(V/ns);dt为电压上升沿的时间,单位为(ns);C为负载电容大小,单位为(nF)。

 

根据电路中的已知参数代入公式(1.1)、(1.2)计算数据。

 

I=C·du/dt=30pF×2.5V/1ns=75mA;则总的电流ITOTAL=10×75mA=750mA。

其所需要的电容C=I·dt/du=0.75A×1ns/(2.5×2%)=15nF

根据上面的理论,考虑温度和电压的影响可以取20~40nF的电容保证一定的余量设计。可以采用两个10nF的电容并联,以减少ESR。这种计算方法比较直观简单,但实际的效果并不是很理想。特别是在高频应用时,会出现问题。比如,在电路中的电容即使其寄生电感很小约为1nH,但根据ΔU=L·di/dt计算其产生的瞬态压降ΔU=1nH×0.75/1ns=0.75V,这个结果显然也是不理想的。

 

因此,针对高频电路的设计时,需要采用另外一种更为有效的方法,在高频电路中主要分析回路电感的影响。同样应用上面的电路设计条件进行分析:

2)计算回路最大阻抗ZMAX;低频旁路电容的工作范围FBYPASS;高频截止频率FK

参数值大小利用公式(1.3)、(1.4)、(1.5)计算。

     ZMAX=ΔU/ΔI                  (1.3)

     FBYPASS=ZMAX/(2πL)              (1.4)

     FK=0.5/Tr                    (1.5)

式(1.3)、(1.4)和式(1.5)中,ΔI为瞬态负载电流,单位为(A);ΔU为电压的允许变化范围,单位为(V); L为允许的最大电感,单位为(pH);Tr为器件的边沿上升时间,单位为(ns)。

 

根据电路中的已知参数代入公式(1.3)、(1.4)、(1.5)计算数据。

 

则计算电源回路允许的最大阻抗ZMAX=ΔU/ΔI=(2.5×2%)/0.75=66.7mΩ

考虑低频旁路电容的工作范围FBYPASS=ZMAX/(2πL),这里假设其寄生电感为5nH。同时假定频率低于FBYPASS时,由电路板上的大电解电容提供能量。

 

FBYPASS=ZMAX/(2πL)=66.7 mΩ/(2×3.14×5nH)=2.12MHz

考虑最高的有效频率FK=0.5/Tr=0.5/1ns=500MHz;

这个截止频率代表了数字电路中能量最集中的频率范围,超过了这个截止频率将对数字信号的能量传输没有影响。因此可以计算出最大的有效截止频率下电容允许的最大电感LTOTAL

LTOTAL= ZMAX/(2πFK)=66.7/(2×3.14×500M)=21.2pH

电容在低频下不能超过允许的阻抗范围,可以计算出总的电容C值大小。

 

C=1/(2πFBYPASS·ZMAX)=1/(2×3.14×2.12MHz×66.7mΩ)=1.2uF

通过这个计算结果可以得出使用总电容大小为1.2uF,其电容总的寄生电感为21.2pH,而常用的电容器件其最小的电感可能都有1nH左右。因此,系统就需要很多的电容采用并联的方式在整个PCB上达到要求。从实际情况上来看这与实际也是不相符合的。如果实际的高速电路要求很高的话,只有尽可能选用ESL较小的电容来避免使用大量的电容器件并联使用。

 

注意:实践中,去耦电容的容量选择并不严格,可以按C=1/f进行选用,f为电路频率,即10MHz频率以下选用0.1uF,100MHz频率以上选用0.01uF,10~100MHz频率之间,在0.01~0.1uF之间任意选择。

 

3)通常在产品IC数据手册中,对于去耦电容的选择需要满足下面的条件:

芯片与去耦电容两端的电压差ΔU=L·ΔI/Δt需要小于器件的噪声容限。

 

从去耦电容为IC芯片提供所需要的电流角度考虑,其容量应满足:

              C≥ΔI·Δt/ΔU

 

IC芯片的开关电流iC的放电速度必须小于去耦电容电流的最大放电速度:

              diC/dt≤ΔU/L

 

此外,当电源引线比较长时,瞬变电流(如果外部施加EMS干扰测试)会引起较大的压降,此时就还需要增加电容以维持器件要求的电压值。