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旁路电容在实际应用中如何选型

对于一个实际的电路系统, 我们如何正确选取合适的电容呢?

我们以一个实际例子来说明, 假设电路中有 50 个驱动缓冲器同时开关输出, 边沿速度1ns,负载 30pF,电压 2.5 伏,允许波动范围为+/-2%( 如果考虑电源层的阻抗影响, 可允许的波动范围可增加)。 则最简单的一种方法就是看负载的瞬间电流消耗,计算方法如下:

1. 先计算负载需要的电流 I

则总的电流需要: 50X75mA=3.75A
2. 然后可以算出需要的电容

3. 考虑到实际情况可能因为温度,老化等影响,可以取 80nF 的电容以保证一定的裕量。
并可采用两个 40nF 的并联,以减小 ESR。


上面的这种计算方法很简单, 但实际的效果不是很好, 特别是在高频电路的应用上, 会
出现很多问题。 比如上面的这个例子, 即便电容的电感很小, 只有 1nH, 但根据 dV=Ldi/dt,可以算出大概有 3.75V 的压降,这显然是无法接受的


因此, 针对较高频率的电路设计时, 我们要采用另外一种更为有效的计算方法, 主要的
是看回路电感的影响。仍以刚才那个例子分析:


a.先计算电源回路允许的最大阻抗 Xmax

Xmax=Δ V/ΔI=0.05V/3.75A=13.3 mohms

b.考虑低频旁路电容的工作范围 FBYPASS
FBYPASS=Xmax/2ΠL0=13.3/(2X3.14X5)=424KHz

这是考虑板子上电源总线的去耦电容, 一般取值较大的电解电容, 这里假设其寄生电感
为 5nH。可以认为频率低于 FBYPASS 的交流信号由板级大电容提供旁路。


4. 考虑最高有效频率 Fknee,也称为截止频率

Fknee=0.5/Tr=0.5/1ns=500MHz,截止频率代表了数字电路中能量最集中的频率范围,超
过 Fknee 的频率将对数字信号的能量传输没有影响。


5. 计算出在最大的有效频率( Fknee)下,电容允许的最大电感 LTOT

6. 假设每个电容的 ESL 为 1.5nH(包含焊盘引线的电感),则可算出需要的电容个数 N:
N=ESL/LTOT=1.5nH/4.24pH=354


7. 电容在低频下不能超过允许的阻抗范围,可以算出总的电容值 C


8. 最后算出每个电容的取值 Cn
Cn=C/N=28.3uF/354=80nF
计算结果表示,为了到达最佳设计效果,我们需要将 354 个 80nF 的电容平均分布在整
个 PCB 板上,但是从实际情况看,这么多电容往往是不太可能的,如果同时开关的数目减
少, 上升沿不是很快, 允许电压波动的范围更大的话, 计算出来的结果也会变化很大。 如果
实际的高速电路要求的确很高的话,我们只有尽可能选取 ESL 较小的电容来避免使用大量
的电容。

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