詳解去耦電容：去耦電容的PCB布局布線

01

什么是去耦電容，為什么要去耦

1.簡介

去耦（decoupling）電容也稱退耦電容，一般都安置在元件附近的電源處，用來濾除高頻噪聲，使電壓穩(wěn)定干凈，保證元件的正常工作。

2.分析

對于一個電路系統(tǒng)來說，一般有多個負載，這些負載的供電都來自于同一個電源

理想情況下，對于某個負載，電源應該是這樣子的

但是電路板上各個負載的工作都要動態(tài)地吸收電流，造成的供電電壓的不穩(wěn)，變成了下面這樣子

也就是在5V的DC上疊加了各種高頻率的噪聲，這些噪聲是由于器件對供電電流的需求導致的電壓波動，可以看成是在DC 5V上“耦和”了由于器件工作帶來的AC噪聲。

這樣耦和了AC的DC供電電壓不僅會影響本負載區(qū)域內的電路的工作，也會影響到其它連接在同一個VCC上的其它負載的工作，有可能導致那些負載的電路工作出現(xiàn)問題。

解決的方法就是在電源兩端并上一個小容量電容

從電源上看，沒有去耦電容的時候如左側的波形，加上了去耦電容之后變成了右側的樣子，供電電壓的波形變得干凈了，我們稱該電容的作用是去掉了耦和在干凈的DC上的噪聲，所以該電容被稱之為去耦電容，當然也可以被稱之為旁路（Bypass）電容，因為該電容將DC上耦和的噪聲給旁路到地上去了，只留下干凈的DC給后續(xù)的電路供電。

在整個系統(tǒng)每個負載都加一個去耦電容

至于電源輸入端，也要加上電容去耦做輸入濾波，彌補負載的濾波指數(shù)不夠的情況。

02

去耦電容的選用

1.問題

了解了什么是去耦電容后，那么問題來了：

究竟需要多大容量的電容才能達到去耦的效果？

這么多不同種類的電容選用哪種電容合適呢？

為什么在很多電路上看到針對一個電源管腳會有多個容量大小不同、類型也不相同的電容一起工作呢？

2.分析

在一個芯片（比如FPGA/MCU）的電源管腳上需要多個不同容值、不同類型的電容并聯(lián)達到較好的去耦效果。

我們用來去耦的電容器（不論是哪一種）用于在電源線上的瞬態(tài)干擾期間快速提供電流，它們都不只有“電容”一個屬性，還有兩個阻礙電流流動的部分：電阻（ESR） - 無論頻率如何都呈現(xiàn)固定阻抗; 電感（ESL）- 隨著頻率的增加其阻抗也變得更高。而這三部分的值與電容的類型、容值、封裝都有很大的關系。

作為最常用的去耦神器 - 陶瓷電容具有很低的ESR和ESL（它們也很便宜），其次是鉭電容，提供適中的ESR和ESL，但相對有較高的電容/體積比，因此它們用于更高值的旁路電容，用于補償電源線上的低頻變化。對于陶瓷和鉭電容，較大的封裝通常意味著較高的ESL。

下圖顯示了0.1μF，封裝為0603的陶瓷電容器的阻抗，該電容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR：

正如前面討論的，去耦電容的作用就是平滑掉高頻變動的紋波電流，理想的電容器可以很容易地實現(xiàn)這一點，因為電容器的阻抗隨著頻率的增加而降低。但由于ESL的存在，在某個頻率下阻抗實際上隨頻率開始上升，這個頻率點又被稱為自諧振頻率點。我們再對比一下1μF的鉭電容器，它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

由于其較高的電容值，鉭電容器的阻抗在開始階段低于陶瓷的阻抗，但是較高的ESR和ESL的影響導致阻抗在100kHz附近變平，在1MHz-10MHz高于陶瓷電容的阻抗，在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。設想一下，如果電路中的噪聲頻率是在10MHz左右，即使鉭具有更高的電容，也不如放置一顆0.1μF的陶瓷電容更有效。如果我們要旁路掉更高頻率的噪聲，即使這個陶瓷電容也會存在太大的阻抗，我們就需要更低的ESL，也就是更小的封裝。

下圖左側表明兩個同樣是0603封裝的電容并不改變其對高頻噪聲的去偶性能，只是相當于去耦電容的容量為二者的和而已，后面看到這個容量對旁路噪聲的效果其實沒有什么差別；而下圖的右側，一個0.1μF封裝為0603的電容和100pF封裝為0402的電容并聯(lián)在一起，就可以覆蓋更寬的高頻范圍，能夠對兩個頻點的噪聲進行去偶。

回到本篇文章第一個圖，在同一個電源管腳并聯(lián)了三個去耦電容：

4.7μF的鉭電容，對比較低頻率的噪聲濾除比較有效；

0.1μF、0603的陶瓷電容，對1-50MHz區(qū)域的噪聲濾除效果比鉭電容有效；

0.001μF、0402的陶瓷電容，對于50MHz以上的高頻噪聲濾除比較有效；

具體的噪聲頻段可以通過電路分析（時鐘頻率）以及測量進行確定，由此需要選用相應類型、相應封裝的電容進行去耦。多數(shù)的情況下我們用0.1μF陶瓷電容搭配一個鉭電容，就足以滿足系統(tǒng)對電源噪聲的去耦效果。

所以，不同類型，不同容量，不同封裝的電容，去耦的有效頻率段也是不同的

陶瓷電容相對與電解電容，最低的等效阻抗的頻率點更高

容量越小的電容，最低的等效阻抗的頻率點更高

封裝越小的電容，最低的等效阻抗的頻率點更高

03

去耦電容的PCB布局布線

1.原理

先看一個很形象的動圖，直觀體會一下一個電容放置位置不同起到的作用有多大的差異。

這張動圖傳遞了如下的信息：

在電源管腳上放置一個104（0.1μF）的電容能夠有效抑制電源上的噪聲，也就是能夠對電源噪聲去耦；

“電源 – 去耦電容 – 地”三點一線的距離越近，則去耦的效果越好；

相同材料的電容，即便電容容量減少為1/10，去耦的效果并不會有什么明顯變化，我們對于高頻去耦用同樣封裝的器件，容值為0.01μF、0.1μF、1μF效果相差不大；

同樣容值，貼片（SMD）封裝的電容比穿孔的電容效果更好，原因就是穿孔電容的管腳等效的電感要大很多，影響了去耦的效果；

電源平面和地平面的使用，一方面可以讓三點一線的路徑更短，而且兩個平面相當于一個大電容，也起到了去耦的作用

2. 實例

來看具體的實例

在常用單片機stm32f103c8t6最小系統(tǒng)中，常常有這樣四個去耦電容，分別對應芯片的四對供電引腳。
而在PCB中，這四個電容（圖中白色框框中）在擺放合理的情況下越靠近mcu越好。

而在多電容去耦（對電源穩(wěn)定要求極為苛刻的電路中），比如GSM的電源，需要多個不同容量/種類的電容。

對應下面紅框框出的6+1個電容，其中越小的電容應當越靠近GSM的電源腳，比如C24是8.2pF，離GSM最近，C19是100nf，離GSM較遠，最遠的則是容量最大的330uf的鉭電容

04

總結

下面的圖是去耦電容通過過孔與地進行連通的方法比較，從最左側的效果最差依次編號，直到最右側效果最佳，當然具體采用那種方式還要取決于其它一些因素，綜合考慮后做一個折衷。

下圖是一個實際電子產品系統(tǒng)的供電分布網絡，為了強調噪聲的起源（最左側），把電源模塊（VRM）放到了最右側。PCB上的走線、過孔、相關的器件引腳等都會產生寄生電阻、電感等，在圖中以R+L的方式等效表達出來。在這個圖中可以看出針對IC器件內部（Die）、針對整個IC器件（Package）、針對某一個功能模塊中的電路單元都有相應的去耦電容，最左側（靠近內核）采用頻率響應很高的小容值、小封裝的陶瓷電容，到右側則是低頻率、容量比較大的電解電容。

總之一句話：去耦電容的PCB布局擺放原則是最小化電阻，最小化電感。
（部分參考自電子開發(fā)學習）。

審核編輯：黃飛