電源完整性設計電容退耦的兩種解釋

采用電容退耦是解決電源噪聲問(wèn)題的主要方法。這種方法對提高瞬態(tài)電流的響應速度，降低電源分配系統的阻抗都非常有效。

　　對于電容退耦，很多資料中都有涉及，但是闡述的角度不同。有些是從局部電荷存儲(即儲能)的角度來(lái)說(shuō)明，有些是從電源分配系統的阻抗的角度來(lái)說(shuō)明，還有些資料的說(shuō)明更為混亂，一會(huì )提儲能，一會(huì )提阻抗，因此很多人在看資料的時(shí)候感到有些迷惑。其實(shí)，這兩種提法，本質(zhì)上是相同的，只不過(guò)看待問(wèn)題的視角不同而已。為了讓大家有個(gè)清楚的認識，本文分別介紹一下這兩種解釋。

　　從儲能的角度來(lái)說(shuō)明電容退耦原理。

　　在制作電路板時(shí)，通常會(huì )在負載芯片周?chē)胖煤芏嚯娙?，這些電容就起到電源退耦作用。其原理可用圖1說(shuō)明。

　　圖1 去耦電路

　　當負載電流不變時(shí)，其電流由穩壓電源部分提供，即圖中的I0，方向如圖所示。此時(shí)電容兩端電壓與負載兩端電壓一致，電流Ic為0，電容兩端存儲相當數量的電荷，其電荷數量和電容量有關(guān)。當負載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，由于負載芯片內部晶體管電平轉換速度極快，必須在極短的時(shí)間內為負載芯片提供足夠的電流。但是穩壓電源無(wú)法很快響應負載電流的變化，因此，電流I0不會(huì )馬上滿(mǎn)足負載瞬態(tài)電流要求，因此負載芯片電壓會(huì )降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來(lái)說(shuō)電壓變化必然產(chǎn)生電流，此時(shí)電容對負載放電，電流Ic不再為0，為負載芯片提供電流。根據電容等式：

(公式1)

　　只要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿(mǎn)足負載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內。這里，相當于電容預先存儲了一部分電能，在負載需要的時(shí)候釋放出來(lái)，即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充，因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化，此時(shí)電容擔負的是局部電源的角色。

　　從儲能的角度來(lái)理解電源退耦，非常直觀(guān)易懂，但是對電路設計幫助不大。從阻抗的角度理解電容退耦，能讓我們設計電路時(shí)有章可循。實(shí)際上，在決定電源分配系統的去耦電容量的時(shí)候，用的就是阻抗的概念。

　　從阻抗的角度來(lái)理解退耦原理。

　　將圖1中的負載芯片拿掉，如圖2所示。從AB兩點(diǎn)向左看過(guò)去，穩壓電源以及電容退耦系統一起，可以看成一個(gè)復合的電源系統。這個(gè)電源系統的特點(diǎn)是：不論AB兩點(diǎn)間負載瞬態(tài)電流如何變化，都能保證AB兩點(diǎn)間的電壓保持穩定，即AB兩點(diǎn)間電壓變化很小。

　　圖片2 電源部分

　　我們可以用一個(gè)等效電源模型表示上面這個(gè)復合的電源系統，如圖3

　　圖3 等效電源

　　對于這個(gè)電路可寫(xiě)出如下等式：

(公式2)

　　我們的最終設計目標是，不論AB兩點(diǎn)間負載瞬態(tài)電流如何變化，都要保持AB兩點(diǎn)間電壓變化范圍很小，根據公式2，這個(gè)要求等效于電源系統的阻抗Z要足夠低。在圖2中，我們是通過(guò)去耦電容來(lái)達到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說(shuō)去耦電容降低了電源系統的阻抗。另一方面，從電路原理的角度來(lái)說(shuō)，可得到同樣結論。電容對于交流信號呈現低阻抗特性，因此加入電容，實(shí)際上也確實(shí)降低了電源系統的交流阻抗。

　　從阻抗的角度理解電容退耦，可以給我們設計電源分配系統帶來(lái)極大的方便。實(shí)際上，電源分配系統設計的最根本的原則就是使阻抗最小。最有效的設計方法就是在這個(gè)原則指導下產(chǎn)生的。