寫在前面：

通過控制MOS上、下管的導(dǎo)通與關(guān)閉，讓電容重復(fù)的工作于充電、放電狀態(tài)，觀察電容瞬間放電時的最大電流值。通過仿真軟件，研究不同形式的大面積鋪銅(PADS的術(shù)語：pour)所帶來的電容放電的最大電流值。該電路的目的和意義在于研究并驗證在同一種MOS管和電容值下(不考慮器件彼此細(xì)微的參數(shù)差異所引起的結(jié)果)，僅因PCB Layout的差異而帶來的不同的放電電流值。由仿真軟件計算的結(jié)果來提供改進(jìn)方向，并實物制造，最終觀察結(jié)果。

該結(jié)果同時也闡明了數(shù)字IC工作時所產(chǎn)生的噪音，是如何傳遞并影響到其它器件，是如何導(dǎo)致電子產(chǎn)品輻射超標(biāo)(IEC61000及GB/T 17626標(biāo)準(zhǔn))。

（圖1）基本電路原理圖 （圖2）對電容充電 （圖3）電容放電

圖4為電容充電、放電的理論和放電電流的計算公式；

（圖4）

歐姆定律I=U/R，適合一切電路，無論暫態(tài)還是穩(wěn)態(tài)。故在電容端電壓一定的情況下，想要提升放電電流，必須降低環(huán)路總電阻。環(huán)路總電阻包括：MOS管的導(dǎo)通電阻、電容的ESR，PCB的銅箔走線電阻。MOS管和電容是固定不變的。因此要想獲得更大的瞬間放電電流，毫無疑問，要想辦法如何去降低整個PCB銅箔走線的電阻。增加銅箔的厚度，固然可以降低電阻，但那要極大的增加成本，不是本文要研究的。本文研究的是靠仿真軟件來優(yōu)化電容放電時電流的走勢來達(dá)到降低電阻值。實物制造及測試的結(jié)果也證實如此。

對該電容大電流放電走線的研究，帶來了一個意外的收獲：讓我們更清晰的看到了，PCB上的器件噪音是如何產(chǎn)生的，而這噪音，不單單會干擾到同一pcb上的其它器件①，還是引起了電路板輻射的關(guān)鍵因素。(圖5示意如何制作一個4G/5G全向pcb天線；)

（圖5）

準(zhǔn)備工作：電流傳感器(探頭)

為了能在示波器上準(zhǔn)確、實時的顯示電流變化的瞬時曲線，需要一個電流探頭，當(dāng)然可以用示波器原配件?？紤]到價格因素，我們選用一個霍爾電流傳感器，來搭建成測試平臺。

不同的廠家、不同器件，不同的設(shè)計思路，會有不同的響應(yīng)時間和精度，要從現(xiàn)有的開環(huán)、閉環(huán)的霍爾電流傳感器中挑選出符合以下要求的器件：響應(yīng)時間極短(<1μs @ di/dt > 50A/μs，精度優(yōu)于0.2%)。以下幾款芯森電子的閉環(huán)霍爾和開環(huán)霍爾傳感器均符合要求，分別展示了其響應(yīng)時間和外觀。

下列圖中，電流發(fā)生器的產(chǎn)生峰值電流約為360A，0à最大值的上升時間約為7μs。

為方便測量，最終選擇了一款高精度、閉環(huán)、電流輸出式的霍爾電流傳感器件，型號為：CM4A H00，電流測量范圍是1000A。再來驗證一下，使用CM4A對電容充電時候的原邊/副邊的對應(yīng)波形，見圖14；

（圖14）

黃線：原邊電阻0.01R的無感電阻兩端波形。

藍(lán)線：CM4A輸出的波形，負(fù)載為47R插件電阻。

因為電源內(nèi)阻和容量原因，無法提供很大的輸出電流，所以是一個振蕩的曲線；從波形來看，匹配的很好，這說明，采用CM4A來觀察電容放電的波形，其數(shù)據(jù)可信。

如何獲得更大的放電電流

為了確保測量的準(zhǔn)確性，基于所選電容的容值(100u)和ESR值，估算出電容充電到最高值的時間。計算公式表明是5*RC，（公式中，R=充電回路的總電阻，C=電容的容值），大約為0.5ms。受制于電源等因數(shù)，結(jié)合不斷測試，最終確定為：每次對電容的充電時間為保證為至少80ms，確保各種電容(<2200u)都能完全充足。

分析pcb layout對電容放電的影響，這需要通過對原始的pcb文件做電磁仿真的電流云圖去實現(xiàn)，最終是找到了在同一種MOS，同一個品牌和容值下，同一個電容充電電壓下和溫度條件下，有一種最大放電電流。

該設(shè)計一共進(jìn)行了三次，實物制造了2次，用于實物評估，第三版仍在不斷的仿真改進(jìn)。

現(xiàn)在分別展現(xiàn)第三版、第二版、第一版本的pcb layout及對pcb原始文件電流密度的仿真結(jié)果。

圖15-16展示了第三版，改進(jìn)中，正在不斷的仿真<-->改pcb layout。

（圖15）

第三版 Max=3.807x105A/m2（圖16）

圖17-18展示了第二版：

（圖17）

第二版Max= 3.426x105A/m2（圖18）

第二版電容電壓為12V時候，100u/100v的固態(tài)電容最大放電電流可以達(dá)到87A。

圖19-20展示了第一版：

（圖19）

電流密度 MAX=1.222X1010A/M2（圖20）

第一版的電容電壓為12V時候，100u/100v的固態(tài)電容最大放電電流可以到104A

實際測試來看，同一種IRF3205的MOS，同為100u/100v，固態(tài)電容，從分析電流密度圖來看，第一版應(yīng)該要比第二版要好，實際測試情況也是如此（見下圖中，MAX: 431mV / 506mV），即：7μs達(dá)到的最大值，第一版要好過第二版，計算來看，大約是好506/431=1.17倍。下述的測量，基于CM4A H00器件和RIGOL 100Mhz的示波器，電容電壓為12V；

現(xiàn)在，基于第二版的電路，研究幾種不同的電容放電波形，分別是固態(tài)電容的100u/25v、鋁電解電容的100u/25v、2.2u/25v X5R 0805、4.7u/100v的CBB電容，及固態(tài)電容的100u/25v+2.2u/25v X5R 0805并聯(lián)，共5種波形。

這種測試的現(xiàn)實意義在于，觀察用于耦合為目地的電容，如何應(yīng)用為最優(yōu)。

1、下圖23，鋁電解電容100u/25v：4μs到最大值，拖尾很長

（圖23）

2、下圖24，固態(tài)電容100u/25v：約6.5μs到最大；

（圖24）

3、下圖25，4.7u/100v CBB：

（圖25）

4、下圖26，2.2u/25v X5R 0805：以近似一條直線的方式到最大，且有振蕩現(xiàn)象；

（圖26）

5、下圖27，固態(tài)電容的100u/25v+2.2u/25v X5R 0805：可見，到最大值的時間稍微改變，約7μs，但是最大值提高了774mV-->850mV，提高了約10%。

（圖27）

從上述幾張測試圖能夠看出，固態(tài)電容的放電效果非常好。2.2μF X5R電容的放電表現(xiàn)也可以，不過鑒于其容值較小，難以與固態(tài)電容形成顯著的對比效果，且目前手頭沒有22μF的MLCC電容用于進(jìn)一步測試對比。

當(dāng)然，固態(tài)電容加MLCC是可以提高放電電流，但提升幅度有限；并且，從測試曲線分析可知，并聯(lián)電容會使系統(tǒng)到達(dá)電流最大值的時間延長約0.5μs，綜合考量，對于MCU/GPU等芯片，在其Vcc - Gnd之間放置耦合電容時，采用單一電容更為適宜。