电源完整性理论基础之三

从上面的分析可以看到，无论是降低电源平面阻抗，还是减少同步开关噪声，旁路电容都起着很大的作用，电源完整性设计的重点也在如何合理的选择和放置这些电容。说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。

       对于电容在高速PCB电路中的作用，诸如减少电源波动（图1-5-14），降低SSN和串扰，抑制EMI等等，这些在相应的文章里都已提及，本节不再重复，而重点放在讨论实际电容的特性及具体应用上。

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5.4.1  电容的频率特性

对于理想的电容器来说，不考虑寄生电感和电阻的影响，那么我们在电容设计上就没有任何顾虑，电容的值越大越好。但实际情况却相差很远，并不是电容越大对高速电路越有利，反而小电容才能被应用于高频。理解这个问题，我们首先必须了解实际电容器本身的特性，参考图1-5-15，可以看到实际的电容器要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联电阻Rs（ESR），串联电感Ls（ESL），还有泄漏电阻Rp，介质吸收电容Cda，和介质吸收电阻Rda等。泄漏电阻Rp也称为绝缘电阻，值越大，泄漏的直流电流越小，性能也越好，一般电容的Rp都很大（G欧姆级以上），所以在一般考虑问题时可以忽略。介质吸收的等效RC电路反映了电容介质本身的特性，是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷，所以介质吸收太大的电容不能应用于采样保持电路。

[img=548,269][/img]    对电容的高频特性影响最大的则是ESR和ESL，我们通常采用上图中简化的实际模型。电容也可以看成是一个串联的谐振电路，其等效阻抗和串联谐振频率为：

[img=148,48][/img]  ，  [img=84,40][/img]

当它在低频的情况(谐振频率以下)，表现为电容性的器件，而当频率增加（超过谐振频率）的时候，它渐渐的表现为电感性的器件。也就是说它的阻抗随着频率的增加先增大后减小，等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率是，这时候，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻ESR，变化曲线如图1-5-16所示：

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从谐振频率的公式可以看出，电容大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率（见图1-5-17）。由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以设计时尽量选用FR和实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大，则可以混合使用电容，即同时选择一些FR较小的大电容和FR较大的小电容。

[img=554,269][/img]  描述曲线的锐度可以用品质因素Q值来表示，数值上等于电路中储存的能量和消耗的能量的比值，Q值越大，谐振频率曲线越尖，表示能量衰减的越慢。电容的Q值主要和ESL和ESR的比值有关，其表达式为：

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5.4.3  电容的介质和封装影响

实际电容器的特性最主要受封装结构和介质材料的影响。从封装形式上看，有引线式和贴片式两种，贴片电容是靠焊锡直接贴装在电路板上，其寄生电感要比引线电容小很多，所以更适合高频电路使用。有时候，同样的数值，同样的介质材料，但不同厂家的电容封装大小却可能不同，我们的基本判断方法是：如果对于较大值的电容（大于10uF），一般封装较小的比封装较大具有更大的ESL，ESR。但对于数值小的电容来说，就不能简单地通过外形大小判断，而是需要厂家提供的实际数据或实际测量的结果。根据介质不同，电容又可分为陶瓷、云母、纸质、薄膜、电解等几种。目前，在数字电路PCB设计中使用最广泛的是陶瓷电容，它具有介电系数高，绝缘度好，温度特性佳等优点，适合做成高密度，小尺寸的产品。

       通常应用于陶瓷电容器较常见的介质有三种：Z5U（2E6），X7R（2X1），NPO（C0G）。Z5U具有较高的介电常数，常用于标称容量较高的大容量电容器，其1206贴片封装的电容值可以达到0.33uF，它的温度特性较差，最好应用于10~85oC范围之内。由于Z5U成本较低，所以广泛用于对容量、损耗要求不高的场合；X7R材料比Z5U介电常数低，所以同样的1206封装，最大只能达到0.12uF的容量。但它的电气性能较稳定，随温度、电压，时间的改变，其特性变化并不显著，属稳定型电容材料类型，适用于隔直、耦合、旁路、滤波电路及可靠性要求较高的中、低类场合；NPO材料的电气特性最稳定，基本上不随温度、电压、时间的改变而改变，属超稳定型，低损耗电容材料类型，适用于对稳定性、可靠性要求较高的高频、超高频的场合。