“如何穩(wěn)定數(shù)字電路的供電電壓？為什么說大部分網(wǎng)上的建議都不太靠譜？本文將理論結(jié)合實(shí)際，介紹去耦電容的使用方法。”

二十年前，要制造一臺便攜式音樂播放器，你必須把幾百個電子元件拼湊在一起。如今，只需一個芯片和十幾個無源元件就能實(shí)現(xiàn)同樣的功能。甚至還能免費(fèi)獲得 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能。 去耦電容是少數(shù)幾種在集成化程度不斷提高的情況下依然存在并發(fā)揮重要作用的分立元件之一。這不僅僅是因?yàn)檫@種電容很難在集成電路的芯片上制造；在高速數(shù)據(jù)傳輸和低供電電壓的世界里，去耦電容在保持電路正常運(yùn)行方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

在業(yè)余愛好者中，對去耦電容的理解仍然是一知半解。有些人完全跳過了去耦電容，但設(shè)備仍然能夠工作，他們還能和你分享他們的經(jīng)驗(yàn)；有些人則遵循著來歷不明的古老傳說，結(jié)果做出了一些糟糕的設(shè)計(jì)：

在本文中，我希望對去耦電容器在數(shù)字電路中的實(shí)際作用作一些說明，并且提供關(guān)于如何將去耦電容融入到設(shè)計(jì)中而不過度使用的建議。

去耦電容到底有什么作用？

在穩(wěn)態(tài)時，一個典型的 CMOS 集成電路需要的功率非常小。芯片的能耗主要與狀態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)，即在 “0” 和 “1” 之間切換。這是因?yàn)闋顟B(tài)轉(zhuǎn)換需要在芯片內(nèi)部的場效應(yīng)晶體管的柵極之間來回移動電子，以完成充電或放電。 有些內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需要相對較小的電流，但其他一些則需要更多的電流，比如需要驅(qū)動輸出的較大晶體管的動作。為了以兆赫茲的速度切換晶體管（快速上升和下降時間），芯片必須在短時間內(nèi)提供相當(dāng)大的電流。在典型的微控制器中，轉(zhuǎn)換時間通常不超過幾納秒，但可能需要數(shù)百毫安的電流。 這就帶來了挑戰(zhàn)。在快速變化的大電流下，PCB 走線會表現(xiàn)出電阻損耗和不可忽視的感抗。電源不完美的需求響應(yīng)特性也會造成影響。最終，即使是看似微不足道的數(shù)字切換也可能在整個電路中引起顯著的電壓波動和電氣噪聲。

下面的示波器圖顯示了常用的 ATmega MCU 反復(fù)切換幾個未連接的輸出引腳所產(chǎn)生的影響。MCU 時鐘速度為 8 MHz；方波上升時間約為 5 ns：

一個簡單 MCU 應(yīng)用觀察到的電源電壓噪聲 在 MCU 電源引腳上采樣到的噪聲峰峰值振幅接近 2 伏，約為標(biāo)稱電源電壓的 40%。這本身就足以破壞 MCU 的穩(wěn)定性。如此大的噪聲幅度本身就有可能使 MCU 變得不穩(wěn)定，因?yàn)樾酒辉儆信c其他電路共享的穩(wěn)定 Vdd（電源電壓）和 GND（地）參考電平。這使得將其與其他設(shè)備進(jìn)行接口連接變得很困難。雖然這種情況不是一定會出現(xiàn)故障，但很可能會出現(xiàn)莫名其妙的問題，且很難 debug。 這就引出了去耦電容器的作用：去耦電容被放置在電源與地之間，并且要盡可能地靠近產(chǎn)生噪聲的芯片引腳。其主要目的是穩(wěn)定電源電壓，快速響應(yīng)瞬態(tài)電流。

為此，電容必須具有較低的 ESR 等效串聯(lián)電阻（即能夠快速充放電）。因此，應(yīng)當(dāng)使用多層陶瓷電容 (MLCC) 而不是相對較慢的電解電容。但最重要的是，為了有效工作，電容必須盡可能靠近芯片的電源引腳。下面是一款噪聲較小的 8 位 MCU 實(shí)測結(jié)果：

電容距離對 AVR Dx MCU 開關(guān)噪聲的影響

理論上可以從RC（電阻-電容）或LC（電感-電容）低通濾波器的角度來分析去耦電容的設(shè)置，考慮其與上游和下游阻抗共同形成的濾波效果。然而，這種分析方式存在困難，因?yàn)閷?shí)際電路中上游和下游的阻抗參數(shù)很難準(zhǔn)確估算，所以很難精確地按照這種理論分析來設(shè)計(jì)去耦電容的配置。 在實(shí)際應(yīng)用中，更多是依據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)法則來進(jìn)行去耦電容的選擇和布置。

基本去耦電容配置：對于常見的 PIC、AVR 或中檔的 ARM MCU，通常每個供電域放置一個 100 nF 到 1 μF 的 MLCC，且電容的工作電壓要低于其最大額定電壓，這樣一般就足以應(yīng)對這些 MCU 內(nèi)部的開關(guān)電流了。

根據(jù)負(fù)載情況增加“大容量”電容：如果 MCU 需要驅(qū)動較大的負(fù)載，那么僅靠上述的基本去耦電容可能不夠，還需要增加額外的“大容量”電容。具體實(shí)現(xiàn)方式有以下幾種：

使用單個較大容量的MLCC：比如選用一個10 μF 的 MLCC，它能夠在較大負(fù)載情況下提供更多的電荷儲備，以滿足 MCU 在驅(qū)動負(fù)載時瞬間的電流需求，進(jìn)一步穩(wěn)定供電。

多個較小容量 MLCC 并聯(lián)：將幾個小容量（如100 nF左右）的 MLCC 并聯(lián)在一起。這樣做的好處是可以增加總的電容容量，同時也能在一定程度上降低等效串聯(lián)電阻（ESR），提高電容的充放電速度和濾波效果，更好地應(yīng)對快速變化的電流需求。

小容量 MLCC 與大容量鋁聚合物電容組合：采用一個小容量（如100 nF）快速響應(yīng)的 MLCC，再搭配一個較大容量（10 - 100μF）但響應(yīng)速度相對較慢的鋁聚合物電容。在這種配置中，小容量的MLCC可以快速響應(yīng)高頻噪聲和瞬態(tài)電流變化，而大容量的鋁聚合物電容則主要負(fù)責(zé)提供較大的電荷儲備，用于應(yīng)對持續(xù)時間較長的電流需求。而且在這種情況下，大容量的鋁聚合物電容可以放置在離 MCU 稍遠(yuǎn)一些的位置，因?yàn)樾∪萘康腗LCC已經(jīng)能夠在靠近微控制器的地方快速提供所需的電流，從而保證了整個電路的穩(wěn)定供電。

一個電容就夠了嗎？

一個精心選擇的去耦電容可以大大降低開關(guān)噪聲，但該元件的容量有限，且阻抗不為零。電容的阻抗不僅在直流方向增加，而且在非常高頻的方向也會增加；這是因?yàn)槠骷?nèi)部的導(dǎo)電表面積相當(dāng)大，形成了一個小電感，限制了電容的響應(yīng)速度。最終結(jié)果是，典型的 MLCC 無法在超過 100 MHz 左右的（正弦波）頻率下提供大電流。 換句話說，一些衰減的高頻噪聲將不可避免地通過。雖然增加額外的電容可以提供一些適度的改善，但這種策略的收益會越來越低。 在敏感電路中，通過在電源和去耦電容之前串聯(lián)一個小磁珠，可以進(jìn)一步緩解高頻噪聲的問題。電感為直流信號提供了一個低阻抗路徑（幾毫歐），同時比接地的并聯(lián)電容更好地抑制兆赫范圍內(nèi)的交流信號：通常在 1 GHz 或更高頻率下表現(xiàn)良好。但此時寄生效應(yīng)將再次產(chǎn)生影響。

以下示例來自 SAM S70 MCU 的規(guī)格書，建議在 USB 收發(fā)器和鎖相環(huán) (PLL) 時鐘倍增器的電源線上使用兩個阻抗為 470 Ω、頻率為 100 MHz 的磁珠：

MCU 供電線路上的噪聲過濾磁珠

結(jié)合去耦電容，效果非常明顯：

鐵氧磁珠對噪音的抑制作用

盡管如此，必須強(qiáng)調(diào)的是，鐵氧體磁珠（ferrite bead）并不能消除噪聲，它只是將噪聲控制在其產(chǎn)生的一側(cè)。鐵氧體磁珠可以保護(hù)模擬電路免受數(shù)字開關(guān)信號的干擾，也可以保護(hù) MCU 免受來自其他地方的噪聲干擾。在任何情況下，鐵氧體磁珠之后都必須有一個去耦電容，以便為下游電路提供一個穩(wěn)定的電源儲備。同時，在電源側(cè)（上游）放置一個電容也是明智的，這樣可以進(jìn)一步提高電路的穩(wěn)定性。

在 MCU 輸出線路上放置小型鐵氧體磁珠，可以減緩快速上升的方波信號的邊緣，從而減少不必要的電流和意外的射頻輻射。這對于運(yùn)行速度較慢的總線（如 I2C 或 SPI）尤其有用。在某些情況下，如果手頭沒有鐵氧體磁珠，也可以使用小電阻來代替，但它們的性能通常不如鐵氧體磁珠。

除此以外，大多數(shù)其他噪聲抑制技術(shù)都與 PCB 設(shè)計(jì)相關(guān)。例如，讓敏感的模擬電路與數(shù)字信號保持一定距離是一種良好的 PCB 布局策略；在高速數(shù)據(jù)線下方緊貼一個不間斷的接地平面也是一種很好的策略，這樣可以避免形成大電流環(huán)路，將寬帶噪聲輻射到開放空間。

如果制造商說...

某些數(shù)字芯片的數(shù)據(jù)手冊會列出建議的去耦方法。這些建議不應(yīng)被忽視，但也不能完全奉為圭臬。制造商在給出建議時，會試圖涵蓋各種極端情況，包括：

電路在最低允許工作電壓下運(yùn)行。

設(shè)備以最大支持時鐘速度運(yùn)行。

芯片上外設(shè)達(dá)到最大利用率。

客戶使用最差的去耦電容（例如“Y5V”型號，在高溫或接近電容最大電壓下工作時，會損失約80%的額定電容）。

此外，制造商還對客戶的設(shè)計(jì)偏好做出了假設(shè)。典型的 100 nF MLCC 單價約為 0.005 美元；相比之下，10 μF 鋁聚合物電容器的單價約為 0.25 美元。做機(jī)器人組裝的客戶可能會傾向于使用多個電容，而不是一個電容搭配一個聚合物電容。手工焊接的愛好者可能不會這樣選擇。 與其盲目遵循規(guī)范（這種做法仍不能保證成功），不如從以下三個方面驗(yàn)證設(shè)計(jì)：

檢查電路在正常工作條件下的電源噪聲：如果電源噪聲的峰值超過了數(shù)字元件的最大允許電源紋波、最小電源電壓或最大電源電壓，或者開關(guān)噪聲傳播到了敏感的模擬電路，那么你應(yīng)該改進(jìn)設(shè)計(jì)。

確認(rèn)高速輸出總線信號是否正確：如果與項(xiàng)目相關(guān)，要確認(rèn)任何高速輸出總線（例如USB）上的信號是否正確，特別是在預(yù)期的上升和下降時間、噪聲和任何周期性故障方面。示波器的“眼圖”可以幫助進(jìn)行這項(xiàng)檢查。

降低 IC 電源電壓進(jìn)行測試：作為最終測試，將IC的電源電壓降低10-20%。如果數(shù)字電路仍能正常工作，那么你可能在應(yīng)對開關(guān)噪聲方面有很好的安全裕度。

"1 nF / 10 nF / 100 nF" 規(guī)則是什么？

有這么一種古老的說法：為了達(dá)到最佳的去耦效果，您必須將至少三個電容組合在一起，它們的容值相差一個或兩個數(shù)量級（即相差10倍或100倍）。雖然電容值的選擇因人而異，但底線是，如果不注意這個警告，等待你的將是可怕的后果

這種建議在早期有一定合理性，因?yàn)楫?dāng)時不同容量的電容通常是用不同的技術(shù)制造的。最小容量的電容是陶瓷電容，它具有低阻抗，但容量較小，不足以平滑持續(xù)時間較長的電流波動；中間容量的電容可能是鉭電容，性能較為平衡，但在任何方面都不突出；最大的電容是鋁電解電容，高頻響應(yīng)較差，但能夠存儲較多的電能。

如今，低成本的多層陶瓷電容（MLCC）在很寬的頻率范圍內(nèi)都能提供高容量和低阻抗，因此對于大多數(shù)“業(yè)余”速度的電路來說，使用這種組合電容的方法通常沒有什么額外的好處。一般來說，每個功能不同的數(shù)字電壓供電線上使用一個100nF或1μF的MLCC就足夠了。

誠然，在非常高頻的情況下，比如幾百兆赫茲，電容的殘余電感會成為限制因素。在這種情況下，組合使用多個不同類型的電容可能會在一定程度上提供更好的寬帶噪聲抑制效果，但這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)一些不期望的反諧振峰（使系統(tǒng)在處理某些特定頻率時變得無效）。相比之下，使用專門的低電感（“低 ESL”）MLCC是一種更簡單且副作用更少的解決方案。

PCB Layout 的影響

如前文所述，去耦電容應(yīng)盡可能靠近集成電路，因?yàn)檫^長的走線會因電阻和電感而阻礙電容發(fā)揮作用。一般來說，應(yīng)盡量將距離控制在1-2厘米以內(nèi)。

另一方面，最好不要迷信互聯(lián)網(wǎng)上的奇談怪論。有一種說法是，左邊的布局比右邊的好得多。

將電容的位置擺放。

據(jù)說，在第一種布局中，電壓尖峰首先到達(dá)電容，使其在噪聲 “溢出” 到電源線之前起作用。而在第二種布局中，電容應(yīng)該是到達(dá)得太晚了。不要誤解我的意思：在 PCB 設(shè)計(jì)中，有時需要考慮信號的傳播速度。但在如此微小的距離內(nèi)，這并不重要，除非您處理的是幾個 GHz 的信號，但在這個頻率范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)的 MLCC 并不能提供什么幫助。

本文來源于以下鏈接，并做了修訂和翻譯： https://lcamtuf.substack.com/p/the-basics-of-decoupling-capacitors

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