去耦電容靠近用電器件電源管腳的原因

通常，電源完整性是一個整體的概念，"完整性"這個詞傳達了以下幾個方面的含義：

(1) 全面性和全面考慮：完整性意味著考慮到系統中的各個方面，包括電源的設計、電源線路、電源傳遞、電源管理等。它要求在整個系統中都要有足夠的關注，確保電源在所有關鍵部分都能夠正常工作。

(2) 健壯性：完整性還涵蓋了系統對于外部擾動和變化的適應能力。一個具有良好電源完整性的系統能夠在電壓波動、電流變化、電磁干擾等不利因素的影響下，仍能保持其功能的穩定性。

(3) 系統的整體穩定性：這個詞語強調了電源系統作為整體的穩定性。這包括了在供電方面的可靠性，以及確保整個系統在正常和異常情況下都能夠保持其性能水平。

(4) 功能的保持：完整性還涉及到確保系統的各個功能在各種條件下都能夠得以維持。這包括了對電子設備、計算機系統或其他依賴電源的設備而言，電源完整性直接關系到這些設備的可靠性和穩定性。

電源的完整性是為確認電源來源及目的端的電壓和電流是否符合需求。電源完整性在現今的電子產品中相當重要，涉及芯片層面、芯片封裝層面、電路板層面及系統層面。

電源完整性的結果是否滿足要求，是由三個部分綜合決定的，即供電模塊、傳輸路徑和用電端。我們設計電源電路的時候，對電源的要求是低噪聲、低紋波，且輸出電壓準確、穩定，從而能夠盡可能地減少干擾引入。

保證電源完整性，最終是保障用電芯片的噪聲裕量[51][xz2]。電源噪聲的裕量計算的過程如下。

(1)芯片的規格書會給一個規范值，通常是5%；要考慮到穩壓芯片直流輸出誤差，一般是±2.5%，因此電源噪聲峰值幅度不超過±2.5%。

(2)如芯片的工作電壓范圍是3.13~3.47V，穩壓芯片標出輸出電壓是3.3V，安裝在電路板后的輸出電壓是3.36V。容許的電壓的變化范圍是3.47-3.36=0.11V。穩壓芯片輸出精度是±1%，即3.36* ±1%=±0.0336V。電源的噪聲裕量為0.11-0.0336=0.0764V，即76.4mV。

在計算電源的噪聲裕量時，有以下幾點需要注意。

（1）穩壓芯片的輸出電壓的精確值是多少。

（2）電源的工作環境的是不是穩壓芯片所推薦的環境。

（3）負載情況是怎么樣的，這對穩壓芯片的輸出也有影響。

（4）電源噪聲最終會影響到信號質量。而信號上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射、串擾等信號完整性問題也會在信號上疊加。因此不能把所有噪聲裕量的要求都是通過提高電源輸出的噪聲來實現。

（5）不同的電壓等級對電源噪聲要求也不樣，電壓越小噪聲余量越小。模擬電路對電源要求更高。

最終我們要求在用電器件的接收端接受到良好質量的電源，我們需要整個電源平面的所有的噪聲。對于電源的噪聲來源：穩壓芯片輸出的電壓不是恒定的，會有一定的紋波；穩壓電源無法實時響應負載對于電流需求的快速變化。穩壓電源響應的頻率一般在200kHz以內，能做正確的響應，超過了這個頻率則在電源的輸出短引腳處出現電壓跌落；負載瞬態電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗產生壓降；外部的干擾。

此處提到“負載瞬態電流”，這個問題不是由電源輸出端的電源模塊或者電源芯片所產生，而是由用電負載自身的負載變化所產生，這個負載變化又是由于大量數字信號在“跳變”所產生。集成電路是由無數的邏輯門電路組成，基本的輸出單元我們可以看成是CMOS反相器，如圖13.1所示。

圖 13.1 CMOS輸出的電流示意圖

當控制信號是一個低電平的時候，上面PMOS打開，此時輸出是高電平。打開的瞬間，VCC通過LVCC和R，對芯片B的輸入管腳進行充電。當控制信號是一個高電平的時候，下面的NMOS打開，此時輸出的是低電平。打開的瞬間，芯片B的輸入管腳儲存的電量經過NMOS進行放電。在CMOS反相器輸出狀態發生變化的時候，流過的電流正是變化的電流。

于是，在走線、過孔、平面層和封裝（鍵合引線、引腳）等這些具有電感的鏈接部件上，便會感應出電壓。例如標準的GND地電位應該是0V，但是芯片與地之間的鏈接部件存在電感，就會感應出電壓VGND，那么芯片上的“地”電位就被抬高了，高于0V。如圖13.2所示，當CMOS輸出信號同時從低電平到高電平切換時，VCC上會觀測到一個負電壓的噪聲，同時也會影響到GND，并有可能引起一個振蕩。當輸出信號從高電平到低電平切換時，GND上會觀測到一個正電壓的噪聲，同時也會影響到VCC,并有可能引起一個振蕩。

圖 13.2 CMOS輸出變換電壓導致的電源和GND的電壓變化

一個CMOS會造成這樣的干擾，如果有很多CMOS同時工作，用電器件對電源平面和GND地平面造成的干擾會很嚴重。這就是隨著芯片的管腳越來越多，電流越來越大，集成度越來越高造成的我們不得不非常重視電源完整性。

（1）芯片的集成度越來越大，芯片內部晶體管數量也越來越大；晶體管組成內部的門電路組合邏輯 延遲線 狀態機及其它邏輯。

（2）芯片外部電源引腳提供給內部晶體管一個公共的電源節點，當晶體管狀態轉換時必然引起電源噪聲在芯片內部傳遞。

（3）內部晶體管工作需要內核時鐘或是外部時鐘同步，但是由于內部延遲及各個晶體管不可能嚴格同步，造成部分晶體管完成狀態轉換，另一部分可能處于轉換狀態，這樣一來處于高電平門電路的電源噪聲會傳到其它門電路的輸入部分。

經過上面分析，大家也非常能夠理解，為什么要將去耦電容靠近用電器件的電源管腳放置了。

去耦電容（decoupling capacitor）通常被用于電源系統中，目的是提供對電源噪聲的短時、高頻響應，以維持穩定的電源電壓供應給集成電路（IC）或其他用電器件。將去耦電容放置在靠近用電器件的位置有幾個關鍵的理由：

1. 降低電感效應：在電源供電線路中，電源線和地線都有一定的電感。當用電器件瞬時需要大電流時，由于電感的存在，線路中會產生電壓降，導致用電器件供電電壓下降。通過在用電器件附近放置去耦電容，可以在用電瞬間提供瞬時電流，抵消電感引起的電壓降。

2. 降低電源回路的阻抗：去耦電容在高頻上具有較低的阻抗。將去耦電容放置在用電器件附近，可以降低電源回路的總阻抗，使電源更容易提供瞬時高頻電流需求。

3. 減小電壓波動的傳播：電源線路上的電壓波動會沿著線路傳播。通過將去耦電容靠近用電器件，可以減小電壓波動的傳播距離，確保用電器件獲得更穩定的電源電壓。

4. 最小化電源噪聲對鄰近電路的影響：去耦電容可以吸收電源線上的噪聲，防止噪聲通過電源線傳播到鄰近的電路。這對于保持鄰近電路的穩定性和性能至關重要。

因此，為了最大程度地提高去耦電容的效果，它通常被放置在用電器件附近，以確保對瞬時電流需求的快速響應，并最小化電源系統中的電感和電阻的影響。

小封裝和小容值的去耦電容更應該靠近電源管腳的主要原因與這些電容的高頻響應和電流傳輸的特性有關。

高頻響應：小封裝和小容值的電容通常在高頻范圍內具有更好的響應特性。由于高頻信號的波長短，電容的物理尺寸和電感對其阻抗的影響較小。因此，小型電容更能夠提供對高頻噪聲的有效去耦。

電流傳輸速度：小封裝的電容通常具有較低的等效電感，使其能夠更快地傳輸電流。在高頻情況下，電流需要迅速響應用電器件的需求。通過將小電容靠近電源管腳，可以降低電流路徑的電感，提高對瞬時電流需求的快速響應能力。

電源噪聲的局部處理：小容值的電容主要用于處理局部的、瞬時的高頻噪聲。通過將這些電容靠近電源管腳，可以在電源引入電路板或芯片的地方提供即時的去耦效果，而不是在較遠的位置。這有助于保持用電器件的電源穩定性，減小對整個電路的影響。

采用小封裝和小容值的去耦電容靠近電源管腳，有助于優化高頻噪聲去耦效果，并提供對瞬時電流需求的快速響應。這樣的設計有助于維持用電器件的穩定性和性能。

用一個電容組合的例子。這個組合使用的電容為：2個680uf鉭電容，7個2.2uf陶瓷電容（0805封裝），13個0.22uf陶瓷電容（0603封裝），26個0.022uf陶瓷電容（0402）。圖中上部平坦的曲線是680uf電容的阻抗曲線，其它三個容值的曲線為為圖中三個V字曲線，從左到右2.2uf →0.22uf→ 0.022uf?？偟淖杩骨€為底部粗包路線。

這個組合實現了在500K到150M范圍內保持阻抗在33毫歐以下，到500M處，阻抗上升到110毫歐，從圖中看反諧振點控制的很低。

審核編輯：劉清