為什么我們需要去耦電容器？
時(shí)鐘數(shù)字IC通常需要大的瞬態(tài)電源電流。例如，大型微處理器可以在很短的時(shí)間內(nèi)消耗高達(dá) 10 A 的電流。隨著 IC 輸出的上升/下降時(shí)間縮短，我們需要以更高的速率提供瞬態(tài)能量。PCB 的電源和接地導(dǎo)體確實(shí)存在一定的電感。如果數(shù)字 IC 的大瞬態(tài)電流流過(guò)電源和接地導(dǎo)體的電感，則會(huì)在電感上產(chǎn)生電壓。由于電源和接地導(dǎo)體上存在較大的瞬態(tài)電壓降，我們無(wú)法在 IC 的電源和接地焊盤(pán)上提供恒定電壓。
解決上述問(wèn)題的方法是提供能夠提供瞬態(tài)電流的電荷源。這通常是通過(guò)將去耦電容器放置在非常靠近每個(gè)邏輯 IC 的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們應(yīng)該始終記住，電路電源布線僅補(bǔ)充去耦電容器中的電荷，并且應(yīng)該由去耦電容器提供所有高頻瞬態(tài)電流。去耦電容器在與 IC 輸出的上升/下降時(shí)間相關(guān)的短時(shí)間間隔內(nèi)提供瞬態(tài)電流，并且電源具有至少半個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)對(duì)去耦電容器進(jìn)行再充電。將高頻能量遠(yuǎn)離配電走線使我們能夠更輕松地承受配電結(jié)構(gòu)中不可避免的電感。
去耦環(huán)路的電感
如上所述，我們使用去耦電容器來(lái)避免通過(guò)配電走線提供高頻電流，這會(huì)表現(xiàn)出高電感。這就是為什么連接去耦電容器和 IC 的路徑電感也很重要。如果去耦環(huán)路的電感不夠小，邏輯IC就會(huì)嘗試通過(guò)功率分配結(jié)構(gòu)來(lái)獲取其部分高頻能量。因此，我們需要仔細(xì)檢查去耦環(huán)路的電感，并盡一切可能將其化。請(qǐng)參考這篇文章了解減少去耦環(huán)路電感的重要技術(shù)。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹可用于將去耦電容器連接到 PCB 電源層和接地層的不同過(guò)孔配置。
過(guò)孔承載相反方向的電流
安裝去耦電容器的傳統(tǒng)方法是將過(guò)孔放置在電容器焊盤(pán)旁邊，如圖 1 所示。
圖 1.圖片由電磁兼容性工程公司提供。
對(duì)于這種情況，從電容器的安裝焊盤(pán)到電源接地平面對(duì)的總電感的典型值約為 1.1 nH。為了減少這些過(guò)孔的總電感，我們可以將它們靠近在一起。將過(guò)孔靠近在一起會(huì)增加它們之間的互感。
由于這兩個(gè)過(guò)孔的電流流向相反，因此增加的互感將減小每個(gè)過(guò)孔的凈電感。為了更好地理解這一點(diǎn)，請(qǐng)記住流經(jīng)電感器的電流會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞導(dǎo)體的磁力線。這些磁力線的方向可以通過(guò)圖 2 所示的右手定則找到（在本例中，電流方向?yàn)橄蛏希?/p>
圖 2.使用的圖像由Signal and Power Integrity-Simplified提供。
當(dāng)電流通過(guò)通孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圍繞通孔的磁力線。一個(gè)通孔的一些磁力線也將環(huán)繞另一通孔。
由于兩個(gè)過(guò)孔產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)（參見(jiàn)圖 3），因此它們之間的磁耦合實(shí)際上會(huì)減少?lài)@每個(gè)過(guò)孔的磁力線總數(shù)。導(dǎo)體周?chē)膬舸帕€數(shù)量決定了其電感。因此，當(dāng)我們的通孔承載相反方向的電流時(shí)，增加它們之間的磁耦合將減少每個(gè)通孔表現(xiàn)出的有效電感。
圖3
因此，降低去耦環(huán)路電感的一種技術(shù)是將過(guò)孔靠近在一起，如圖 4 所示。在這種情況下，電容器安裝焊盤(pán)與電源接地平面對(duì)之間的電感降低至 0.7 nH。
圖 4.圖片由電磁兼容性工程提供。
過(guò)孔承載相同方向的電流
為了進(jìn)一步降低去耦環(huán)路的電感，我們可以對(duì)每個(gè)電容器焊盤(pán)使用多個(gè)過(guò)孔，而不是僅使用一個(gè)過(guò)孔。圖 5 顯示了兩種可能的布置。
圖 5.圖片由電磁兼容性工程提供。
如果連接到同一焊盤(pán)的過(guò)孔之間沒(méi)有互感，我們可以很容易地得出結(jié)論，并聯(lián)過(guò)孔的等效電感將與過(guò)孔的數(shù)量成反比。如果它們之間存在互感怎么辦？
通過(guò)連接到同一焊盤(pán)的過(guò)孔的電流方向相同。與圖 3 中的情況不同，圖 5 的平行通孔之間的磁耦合將增加圍繞每個(gè)通孔的磁力線總數(shù)。因此，當(dāng)我們有承載相同方向電流的過(guò)孔時(shí)，增加它們之間的磁耦合將增加每個(gè)過(guò)孔表現(xiàn)出的有效電感。
讓我們考慮每個(gè)焊盤(pán)有兩個(gè)過(guò)孔的布置（上左圖）。假設(shè)每個(gè)過(guò)孔的自感為L(zhǎng)，并聯(lián)過(guò)孔之間的互感為M（下圖6）。等效電感值是多少？
圖6
考慮到兩個(gè)過(guò)孔的磁力線方向相同，可以看出兩個(gè)過(guò)孔的等效電感為：
互感 M 不能大于自感 L。因此，在壞的情況下，
接近于 L。但是，如果我們將連接到同一焊盤(pán)的過(guò)孔彼此充分分開(kāi)，我們可以顯著減小互感 M，并獲得接近于
L2的等效電感。
通常假設(shè)，如果過(guò)孔之間的中心間距大于過(guò)孔的長(zhǎng)度，則互感變得遠(yuǎn)小于自感。在這種情況下，過(guò)孔的等效電感幾乎與過(guò)孔的數(shù)量成反比。
使用多個(gè)過(guò)孔的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)
我們看到，通過(guò)多個(gè)過(guò)孔，我們可以獲得與過(guò)孔數(shù)量成反比的等效電感。還有另一種機(jī)制可以使圖 5 的布置具有較低的電感。為了理解第二種機(jī)制，我們需要考慮當(dāng)電流通過(guò)通孔饋入或流出平面時(shí)平面中的電流分布。如圖7所示，在過(guò)孔附近，電流被限制通過(guò)過(guò)孔流入或流出平面。當(dāng)我們遠(yuǎn)離過(guò)孔時(shí)，電流會(huì)擴(kuò)散。
圖 7.圖片由電磁兼容性工程提供。
檢查平面的電感可能是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，超出了本文的范圍。您可以在《電磁兼容性工程》一書(shū)的第 10 章中找到一些詳細(xì)信息。重要的一點(diǎn)是，遠(yuǎn)離過(guò)孔，電流可以擴(kuò)散，并且平面呈現(xiàn)出低電感。然而，在過(guò)孔附近，電流無(wú)法擴(kuò)散，并且路徑的電感顯著增加。
有趣的是，圖 7 中所示的電流分布的總電感將主要由過(guò)孔附近的大電感決定。圖 5 的布置使用多個(gè)過(guò)孔連接到平面。因此，與使用單通孔的配置相比，多通孔配置允許電流在平面的更廣泛區(qū)域中擴(kuò)散。因此，多個(gè)通孔可以減小通孔附近的平面的電感，并且因此減小去耦環(huán)路的電感。