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电 容 退 耦 原 理
采纳电容退耦是解决电源噪声问题的要紧方式。这种方式对提高瞬态电流的
响应速度,降 低电源分派系统的阻抗都超级有效。
关于电容退耦,很多资料中都有涉及,可是论述的角度不同。有些是从局部
电荷存储(即 储能)的角度来讲明,有些是从电源分派系统的阻抗的角度来讲
明,还有些资料的说明更 为混乱,一会提储能,一会提阻抗,因此很多人在看
资料的时候感到有些迷惑。其实,这 两种提法,本质上是相同的,只只是看待
问题的视角不同罢了。为了让大伙儿有个清楚的认 识,本文别离介绍一下这两
种说明。
从储能的角度来讲明电容退耦原理。
在制作电路板时,通常会在负载芯片周围放置很多电容,这些电容就起到电
源退耦作用。 其原理可用图 1 说明。
图 1 去耦电路
当负载电流不变时,其电流由稳压电源部份提供,即图中的 I0,方向如下
图。现在电容 两头电压与负载两头电压一致,电流 Ic 为 0,电容两头存储相
当数量的电荷,其电荷数量 和电容量有关。当负载瞬态电流发生转变时,由于
负载芯片内部晶体管电平转换速度极 快,必需在极短的时刻内为负载芯片提供
足够的电流。可是稳压电源无法专门快响应负载电 流的转变,因此,电流 I0 可
不能马上知足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压会降低。但 是由于电容电
压与负载电压相同,因此电容两头存在电压转变。关于电容来讲电压转变必 然
产生电流,现在电容对负载放电,电流 Ic 再也不为 0,为负载芯片提供电流。
依照电容等 式
:I=C
DV
只要电容量 C 足够大,只需很小的电压转变,电容
DT
就能够够提供足够大的电流,知足负载瞬 态电流的要求。如此就保证了负载芯

片电压的转变在允许的范围内。那个地址,相当于电容预 先存储了一部份电能,
在负载需要的时候释放出来,即电容是储能元件。储能电容的存在
使负载消耗的能量取得快速补充,因此保证了负载两头电压不至于有太大转变,
现在电容 担负的是局部电源的角色。
从储能的角度来明白得电源退耦,超级直观易懂,可是对电路设计帮忙不大。从
阻抗的角度 明白得电容退耦,能让咱们设计电路时有章可循。事实上,在决定
电源分派系统的去耦电容 量的时候,用的确实是阻抗的概念。
从阻抗的角度来明白得退耦原理。
将图 1 中的负载芯片拿掉,如图 2 所示。从 AB 两点向左看过去,稳压电源和
电容退耦 系统一路,能够看成一个复合的电源系统。那个电源系统的特点是:
不论 AB 两点间负载 瞬态电流如何转变,都能保证 AB 两点间的电压维持稳固,
即 AB 两点间电压转变很小。
图片 2
咱们能够用一个等效电源模型表示上面那个复合的电源系统,如图 3
图 3 等效电源
关于那个电路可写出如劣等式:
△V=Z.△I
(公式 2)
咱们的最终设计目标是,不论 AB 两点间负载瞬态电流如何转变,都要维持 AB

两点间电压 转变范围很小,依照公式 2,那个要求等效于电源系统的阻抗 Z 要
足够低。在图 2 中,我 们是通过去耦电容来达到这一要求的,因此从等效的角
度动身,能够说去耦电容降低了电
系统的阻抗。另一方面,从电路原理的角度来讲,
可取得一样结论。电容关于交流信号 呈现低阻抗特性,因此加入电容,事实上也确实降低
了电源系统的交流阻抗。
从阻抗的角度明白得电容退耦,能够给咱们设计电源分派系统带来极大的方
便。事实上,电 源分派系统设计的最全然的原那么确实是使阻抗最小。最有效
的设计方式确实是在那个原那么指导 下产生的。
正确利用电容进行电源退耦,必需了解实际电容的频率特性。理想电容器在
实际中是不存 在的,这确实是什么缘故常常听到“电容不单单是电容”的缘故。
实际的电容器总会存在一些寄生参数,这些寄生参数在低频时表现不明显 ,
可是高频情形 下,其重要性可能会超过容值本身。图 4 是实际电容器的 SPICE
模型,图中,ESR 代表等 效串联电阻,ESL 代表等效串联电感或寄生电感,C 为
理想电容。
等效串联电感(寄生电感)无法排除,只要存在引线,就会有寄生电感。这
从磁场能量变 化的角度能够很容易明白得,电流发生转变时,磁场能量发生转
变,可是不可能发生能量跃 变,表现出电感特性。寄生电感会延缓电容电流的
转变,电感越大,电容充放电阻抗就越 大,反映时刻就越长。等效串联电阻也
不可排除的,很简单,因为制作电容的材料不是超 导体。
讨论实际电容特性之前,第一介绍谐振的概念。关于图 4 的电容模型,其
复阻抗为:Z=ESR+j2πf ESL+
1
1
=ESR+j(2πf ESL— )
2π
fC
J
2π
fC
1
,整个电容器表现为电容性,当
2π
fC
当频率很低时, 2πf ESL 远小于
频率很高时,2πf ESL 大于
1
,
2π
fC
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