高速PCB中旁路電容的分析

圖6為一個簡單的圖騰柱I/O口電路，驅(qū)動一個串聯(lián)源端匹配的傳輸線。圖中LV和LG為器件電源管腳和地管腳的封裝電感，A、B為兩個場效應(yīng)管，作為開關(guān)使用。假設(shè)初始時刻傳輸線上各點(diǎn)的電壓和電流均為零，在某一時刻器件將驅(qū)動傳輸線為高電平，這時候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時間t1，合上開關(guān)A，電流從PCB板上的VCC流入，流經(jīng)封裝電感LV，跨越開關(guān)A，串聯(lián)終端電阻，然后流入傳輸線，輸出電流幅度為（1/2）VCC/Z0。電流在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個完整的輪回（round-trip）時間，在時間t2結(jié)束。至此以后，整個傳輸線處于電荷充滿狀態(tài)，不需要額外流入電流來維持。當(dāng)電流瞬間涌過封裝電感LV時，將在結(jié)點(diǎn)V1處導(dǎo)致芯片電壓的擾動。在時間t3，關(guān)閉開關(guān)A，這一動作不會導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生，因為在開關(guān)A打開的瞬間是沒有電流流過的。同時，合上開關(guān)B，這時傳輸線、地平面、封裝電感LG以及開關(guān)B形成一環(huán)路，有瞬間電流流過開關(guān)B，這樣在結(jié)點(diǎn)G1處產(chǎn)生地彈擾動。如果在V1和G1之間加上一旁路電容（放置在芯片內(nèi)部）的話，可以使得V1點(diǎn)處和G1點(diǎn)處的瞬態(tài)電壓擾動相同，這樣在每一次開關(guān)切換時，V1點(diǎn)和G1點(diǎn)均會產(chǎn)生電壓擾動，然而幅度將會減半。

在高速PCB設(shè)計中，在電源管腳附近放置濾波電容就是為了消除電源擾動以及地彈噪聲的。系統(tǒng)加上旁路電容以后，由于電容寄生電感的存在，環(huán)路的總電感將增加，可能產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度也就會更大。因此設(shè)計者應(yīng)該盡可能的選擇寄生電感小的旁路電容并合理的將其放置在PCB中。

5 器件電源管腳旁路電容的放置

當(dāng)電流在瞬間通過器件電源管腳流入器件或者通過地管腳流入地時，由于器件封裝電感的存在以及電源供給環(huán)路中電感的存在，將會產(chǎn)生電源擾動和地彈噪聲，因此需要在電源管腳附近放置濾波電容以達(dá)到消除電源擾動以及地彈噪聲目的。

從上文可知，電源擾動和地彈噪聲主要來自于芯片的引腳，由于芯片的輸出阻抗（芯片的電源或者地管腳的輸出阻抗）一般要比電源平面或者地平面的阻抗大得多（如果不是這樣的話，將會有大量的電源、地噪聲產(chǎn)生），因此可將芯片看作一個噪聲源，對于一塊合理設(shè)計的電路板而言，無論在什么時候，當(dāng)噪聲源的阻抗比負(fù)載大得多的時候，噪聲源可以看作一個電流源，它將灌入一定量的電流到電源或者地系統(tǒng)中。為了減小電源或者地噪聲，就需要采取措施來減小灌入到電源或者地平面當(dāng)中的電流量。為了切實(shí)做到這一點(diǎn)，理論上需要將電源或者地管腳串聯(lián)一個阻抗，這個阻抗必須足夠大，最好比芯片電源地管腳的輸出阻抗還大。但串聯(lián)這樣一個大的阻抗是不現(xiàn)實(shí)的，因為如果這樣的話，將會在芯片內(nèi)部產(chǎn)生更大的地彈噪聲或者電源擾動，導(dǎo)致芯片不能夠正常工作。因此正確的做法還應(yīng)該是設(shè)法將噪聲通過低阻抗的回路引到地平面上去。通常的做法是給芯片的電源管腳加旁路電容。下面簡單的分析了電容的四種放置方式。

如圖7及圖8(a)所示，為旁路電容的一種放置方式。將芯片的地管腳直接通過一個低阻抗的過孔D(一般過孔的寄生電感約為1～2nH)連接到地平面上，這樣芯片地管腳上的地彈噪聲將通過過孔流入到地平面上，抑制了地彈噪聲對芯片的影響。芯片的電源管腳通過一小段傳輸線（通常約為50～80mil長，寄生電感約為1～1.6nH）連接到電容的電源盤墊上，電容的電源盤墊和地盤墊直接通過過孔連接到電源平面和地平面上，這樣電源管腳到地平面之間也將有一條低阻抗的通路，有效的克服了電源管腳上的電源噪聲對芯片的影響。同時旁路電容附近的電源層上的噪聲也將通過過孔B、旁路電容、過孔C這樣一條低阻抗通道流入到地平面上，這樣的放置方式有效的抑制了噪聲對芯片以及電源和其他系統(tǒng)的影響。

如圖8(b)所示，將過孔B放在電容電源管腳和芯片電源管腳之間，這樣將增加通路A的環(huán)路電感，當(dāng)電容和芯片不是位于同一層時，一般采用這種方式。

如圖8(c)所示，將電容電源管腳處的電源過孔B改打到接近芯片電源管腳A處，這種放置方式類似于上述第二種放置方式，將導(dǎo)致環(huán)路電感的增加，此方式應(yīng)避免。

如圖8(d)所示去掉電容電源管腳和芯片電源管腳之間的傳輸線，而將芯片電源管腳直接通過一個過孔連接到地平面上，電容電源管腳和芯片電源管腳之間通過大的電源平面連接到一起，這樣通路A包括：兩個過孔、一個電源平面、一個電容，也同樣增加了環(huán)路的電感，而且噪聲將對電源平面帶來不可預(yù)知的影響，另外還增加了過孔的數(shù)量，減少了板子上的布線面積。此方式也應(yīng)盡量避免。

6 結(jié)束語

當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)板級頻率越來越高，各種EMI問題也越來越嚴(yán)重。合理的選擇和使用旁路電容是消除EMI、獲得電源完整性的一個關(guān)鍵方面。而且，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電容也在不同的更新?lián)Q代以滿足高速電路設(shè)計的要求。因此，旁路電容選擇、旁路電容的擺放等問題需要不斷的進(jìn)行深入探討。