旁路電容的發(fā)展與作用

旁路電容設(shè)計(jì)是一個(gè)比較常見的設(shè)計(jì)，但是旁路電容應(yīng)該如何設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)多少旁路電容呢，時(shí)代的發(fā)展總是輪回的。就像《三國演義》話說天下大勢，分久必合，合久必分。

圖1.一塊使用二極管和晶體管的上世紀(jì)60，70年代的電腦板

這是一個(gè)舊的布滿二極管和晶體管電腦板，執(zhí)行一個(gè)簡單的DTL門功能（二極管晶體邏輯）。它大約是生產(chǎn)于20世紀(jì)60年代或70年代初。在我們配電設(shè)計(jì)課程中，我利用這塊電腦板提出了一個(gè)問題：你能數(shù)出這個(gè)板上有多少旁路電容么？

答案很驚人是零。為那為什么今天我們會(huì)在電路板上到處找尋位置來放置許多旁路電容，從而來降低我們電子產(chǎn)品的噪音呢？

現(xiàn)在不論是一個(gè)新的筆記本電腦或大型電腦板，我們都可以再上面找到幾百甚至幾千的電容。為了理解在短短數(shù)十年來發(fā)生的這一顯著變化的原因，我們必須研究旁路電容的作用和旁路電容是容如何工作的。

無論是模擬或數(shù)字，所有的電子電路，最終都會(huì)生成（與/或）程序交互電信號(hào)。其運(yùn)作過程中，他們?nèi)∽?a target="_blank">電源的供應(yīng)電流不斷變化，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)作情況來確定所需供應(yīng)電流的大小。有時(shí)電路需要的電流較少，有時(shí)卻很多，這中不同需求的變化，也不斷改變著電源軌中的電流。這些不斷變化的電流流過電線以及印刷電路板上的電源和電子器件間的布線與層面，產(chǎn)生出電壓變化：

?V 是電壓變化, L代表在供應(yīng)路徑中的電感;dI/dt隨時(shí)間發(fā)生改變的電流變化率。

小的電壓波動(dòng)會(huì)被電子器件所接受，但每個(gè)電路為了保證正常工作都會(huì)有一個(gè)最高和最低限額。我們必須設(shè)法限制電源電壓的變化，否則它會(huì)因?yàn)樗桦娏鞯淖兓a(chǎn)生變化。我們必須在電路和電源路徑上的串聯(lián)電感之間放置蓄存器。電容是一個(gè)很好的蓄存器，因?yàn)椴煌陔姼?，電容兩端的電壓（如果我們忽視它的寄生元件）將不?huì)因?yàn)橥蝗坏碾娏鞲淖兌l(fā)生劇烈變化。

要確定我們什么樣的，以及多少電容器，比較方便的是從頻域?yàn)榍腥朦c(diǎn)來看問題。配電網(wǎng)絡(luò) (PDN)可以以許多不同形式進(jìn)行模擬，從簡單的集總等效電路，到詳細(xì)的網(wǎng)格模型。對(duì)于我們現(xiàn)在討論的，我想一個(gè)簡單的集總等效電路就夠了。

圖2中的圖表顯示了簡化的PDN等效阻抗。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)熟悉Bode plot圖示，我們使用對(duì)數(shù)指標(biāo)log-log在坐標(biāo)軸上。請(qǐng)注意，為了簡單起見，該圖表只顯示阻抗值，但在以后的文章離我們會(huì)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)我們使用PDN 阻抗來計(jì)算電路的表現(xiàn)的是很該階段是很重要的。

圖2.簡化的PDN集總等效阻抗

途中藍(lán)色的線代表了電源的阻抗，該電源可以是一個(gè)電池或電源轉(zhuǎn)換器。在低頻時(shí)候阻抗較低，但在更高頻率的時(shí)候，導(dǎo)線，布線，層面的連接電感最終將占據(jù)主導(dǎo)地位。綠色線代表了有源器件的阻抗。如果我們將該阻抗圖標(biāo)對(duì)應(yīng)在板封裝接口處，綠色線代表了有源器件連同封裝，以及封裝上PDN電容的阻抗。我們稱那些有源器件為“硅silicon”，但他們可以是任何類型的有源電路：在那塊舊的電腦板上有源器件是鍺晶體管。

綜上，藍(lán)色和綠色線產(chǎn)生了三角型的阻抗配置，并且在低頻和高頻的尾部是平坦的。如果在這個(gè)系統(tǒng)上不增加旁路電容，任何噪聲電流每次擊中這個(gè)三角峰值頻率時(shí)都可能會(huì)造成很多噪音。頻率軸上從左到右延伸的粗黑線是用來標(biāo)明我們感興趣的頻率范圍，與 PDN阻抗有聯(lián)系的。我們感興趣的頻率范圍并不一定是連續(xù)的頻譜的一部分，特別是對(duì)連接到相同的電源電壓卻具有不同功能的復(fù)合電路來說。

如果要研究的頻率范圍不是在藍(lán)色和綠色的曲線構(gòu)成的阻抗峰值所在頻率之間，那么該電路將正常工作而不需要增加旁路電容。如果電路的工作激發(fā)了阻抗峰值，那么我們需要增加旁路電容，以減少阻抗，從而降低噪音。圖標(biāo)上紅色虛線代表一個(gè)旁路電容的阻抗，用來補(bǔ)充電源和有源器件的阻抗，也使寬頻帶的整體阻抗值變得較低。

那么，為什么在舊的電腦板上不需要旁路電容？主要是因?yàn)殒N晶體管的切換緩慢，并且時(shí)鐘頻率十分低，即短暫的開關(guān)電流不激發(fā)PDN阻抗的高阻抗部分。

今天的高速電子產(chǎn)品，復(fù)雜的電路功能和高時(shí)鐘頻率，大部分時(shí)間我們要關(guān)心的一個(gè)頻寬很寬的 PDN阻抗，因此，我們不能允許在源和負(fù)載阻抗之間有很高很明顯的阻抗峰值。因此，我們需要旁路電容器。如果我們快進(jìn)幾十年里，我們可以很容易預(yù)測到電路板又將沒有旁路電容了。

因?yàn)?，?dāng)分布式電源都足夠小，以至于我們可以把他們放置在非常接近負(fù)載的時(shí)候，則互連電感將變低，同時(shí)有源器件中的芯片和封裝電容量將更大，這樣我們將又回到電路板上不需要旁路電容的年代了。