Decoupling Capacitors.doc

Decoupling Capacitors电子制作 2007-10-15 20:10:45 阅读143 评论0 字号：大中小 在数字电路中，我们常常见到在数字芯片的电源管脚附近放置了电容，它们也可能集中出现在原理图的某一页中，但在Layout的过程中，这些电容还会最终被分配给数字芯片的电源管脚。通常大家称其为去藕或者滤波电容，其作用自然也无非就是去藕或者滤波了。然而对于这些电容的叫法和作用存在一定的争议和误解。Decoupling和Filtering分别是去藕和滤波的英文翻译，相信大家对滤波的意义都很清楚，电子学上的Filtering无非就是通过某种手段，从频率上加以区分，去除掉不想要的或者保留希望得到的信号的过程。再谈去藕，我们都知道耦合的意思，通常会见到，直流耦合，交流耦合，电阻耦合和电容耦合等等说法，无非是将一个信号或者一部分能量通过某种方法，施加到另外一个信号或者部分能量上面。而Decoupling的意思是，必然和Coupling是相对应的， 就是通过某种方法阻止信号或者能量在某一点的传递。滤波是实现去藕多种方式中的一种。这里关于电容的讨论里面，去藕和滤波这两个概念是等同的。旁路（Bypass）电容是另外一种叫法，其意思无非是给某一个频率的信号或者能量提供了一个通道，等同于上述的滤波。在真正理解了这些电容在数字电路中的作用以后，称谓也就变得不重要了。那么究竟是什么原因致使需要这些的电容的存在哪？数字芯片的电源有两个作用，一是为里面的逻辑电路工作提供能量；二是提供一个参考电平，为输入信号提供一个判决的参考-差分输入的电路除外，差分电路的两个输入彼此参考。针对第一个功能，要提供稳定充足的电流和电压，作为参考电平，自然对电压有一定的要求。造成电源不理想的因素大致有如下几个：电源自身纹波，噪声以及数字电路工作在开关状态时引起的电流电压的波动。由于电源自身的工作原理决定了，电源自身纹波不可避免，尤其是开关电源，所以通常可以看到电源的输出端会放置几颗电容，来滤除纹波-道理自然很简单，纹波是施加在直流上面的交流成份，利用电容通交隔直作用，避免纹波被施加到后面电路。放置在电源附近的电容，通常也被称作Board-level capacitor。噪声是靠近电源的干扰源耦合上来的，通常频率较高，能量较低。数字电路电源管脚的电容的作之一用就是消除这部分噪声的。这也就是很多朋友常提到的，“这些电容用来滤除电源的干扰，大的（通常是电解电容）滤除低频的干扰，小的（瓷片电容）用来滤除高频的干扰。”从前有一个错误的认识，以为这是Bypass电容的唯一作用，其实不然，这些电容的更重要的一个作用在数字电路工作时得以体现，因为数字电路的开关特性以及较高的工作频率决定了-数字电源的供电电流会随着芯片的工作频率有较大的波动，电压势必随之波动。抑制由数字芯片工作而引起的这类波动同样要有这些电容来实现。数字电路的自身机理决定了其在工作的时候，电流会随着电路的开关而波动，这类因波动产生的电流被称为Transient Current，由于数字电路工作频率的提高，Transient Current 便含有了高频的成份。现实设计中的PCB电源走线和电源平面都一定的电感和电阻，这是很难避免的。Transient Current 流过他们的时候，自然也就产生了电压，这里说的电源包括电源和地。如此以来，由于数字电路工作引起的噪声分别出现在了电源和地管脚。数字电路工作时的电流波动不可避免，那么降低或抑制此类噪声的办法就是降低电源的输出阻抗，因为从数字芯片的电源管脚向电源方向看过去，引起噪声的电感和电阻也被认为是电源的输出阻抗。降低电源输出阻抗的方法就是在电源的管脚并接电容，接下来问题就是如何去确定电容的容值，因为成本和空间以及电容的ESR和ESL等原因，决定了电容并非是越多越好，容值并非越大越好。通过计算确定电容的容值有如下几种方法: 第一种方法，在Altera公司的一篇文章（/support/devices/power/integrity/pow-integrity.html）里面有提及，该方法通过确定芯片所驱动的等效电容值，然后乘以一个根据理论和经验得到的参数25100,得到需要为该芯片提供的总电容值，然后除以电源管脚数量，得到应该每个电源管脚应放置的电容理论值。第二种方法，是在Micron的应用笔记TN006里面提到的第一种，在已知驱动的电容值和充电电压，来得到电路中的Transient Current，最后通过电源所能允许的最大波动和Transicent Current来得到Bypass Capacitor的值。第三种计算方法，是TN006中提及的第二种，较为复杂，但也更加精确一些，因为与上述两种方法的不同之处在于这种方法在计算的过程中，考虑到了电容的ESR和ESL。这也正是Bypass电容并非越大越好的原因，也是有很多小的容值的电容相互并联的原因。该方法在著名的High-Speed Digital Design里面的第八章里面也有介绍，同时还介绍了在确定容值之后，如何根据特性来选择不同种类的电容，以及在Layout时候如何放置。上述方法，是我所见到通过计算来决定容值的方法， 不知道是否还有其他方法。但在实际的设计中，我认为按照上述方法来进行设计具有一定的难度，因为在设计之初未必有如此详尽而准确的数据提供出来用作计算。较为可行的方法还是在理解这类电容的作用和原理的前提下，根据经验在设计之初尽量多一点放置电容，在调试的过程中通过实际测量来选取较为合适的容值，将多余的电容在第二次layout时去掉，或者通过Depopulate的方法，从BOM中将多余的电容去掉。在数字和模拟共存的电路中，有时候会看到在数字和模拟的电源连接处用一个电感，磁珠抑或O ohm电阻，似乎于上面提及的降低电源的输出阻抗相悖，实则是非常必要的。因为模拟电路在工作的过程中不会出现波动，为了避免数字部分Transient Current对电压稳定要求很高的模拟部分的影响，通过感性的器件将该类波动（AC）电流隔离在模拟电路之外。相成了一个直流相通，交流相隔的电路。有兴趣的朋友可以仔细读一下上面提到的几篇应用笔记，相信会有所帮助。还有下面的一篇文章：/encoder/jun97/basics.html。/sogreat/blog/item/e96a0308715235d162d986dc.html衡量电容性能的几个重要性能参数在熟知电容的制造全过程，了解了电容的基本构造和原理之后，我们就将面临一个新的问题如何从参数上判断电容品质的好坏？只有掌握了这一方法，我们才能以不变应万变，即使对电容的种类和品牌本身不了解，也能通过几个参数迅速判断出其性能档次。关于电容的参数，我们将其分为“看得到的”和“看不到的”。所谓“看得到的”，就是印在电容表面的一些基本参数，这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。例如电容的容量（比如“470F”等等）、容量偏差范围、耐温范围、电压值（比如“16V”）。 所谓“看不到的”参数，就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。例如我们常说的ESR值，如今已成为区别电容性能的重要参数，而我们在电容上是看不到这个参数的，我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。类似的参数还有不少，其中包括如下一些： 1.ESR值； 2.能够耐受的涟波电流值； 3.温度特性； 4.损耗角的正切（TAN），相当于无功功率和有功功率的比值，这个值跟电容的品质以及发热量有关系，这个值越小电容性能越好。 5.漏电流值：无论绝缘体多大，总是会有细微的电流漏过电容，这个值则代表具体漏过的多少。 此外，ESL特性也是电容的性能指标之一。但是随着电容技术的发展，现在的高档电解电容，其ESL特性一般都很好，到10MHz、20MHz以上的时候往往才能体现出区别，因此也就失去了比较的意义。电容ESR的意义 ESR缘何重要？ 首先来说ESR。ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电子元器件都强调“LOW ESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。那么，我们如何正确理解LOW ESR的实际意义呢？由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了。 例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷）。 此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的CPU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对于1.8V的CPU而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。 那么ESR值与涟波电压的关系何在呢？我们可以用以下公式表示： V=R（ESR）I 这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调LOW ESR的缘故。 上图就是一个典型的滤波电路。其中的SW IC相当开关电源，将输入的5V直流电转换为3.3V直流电。而电路的L/C部分则构成电路的低通滤波器，目的就是尽量滤去直流电中的涟波电压。而上图的表格则表明了，在L/C部分使用不同种类电容的情况下，这个电路中涟波电压的表现情况。可以看出，具有LOW ESR性能的铝固体聚合物导体电容（左边），其消除涟波电压的性能最强，钽二氧化锰电容（右边）性能次之，铝电解液电容（中间）表现最差。同时最后的数值还将受温度影响，这点我们还将在后面详细说明。温度与电容性能的密切关系 电容的性能并非一成不变，而是会受到环境的影响，而对电容影响最大的就是温度。而在不同种类的电容当中，采用电解液作为阴极材质的电容例如铝电解液电容，受温度影响又最为明显。因为在不同种类的阴极，例如电解液、二氧化锰、固体聚合物导体当中，只有电解液采用离子导电方式，而其余几种均采用电子导电方式。对于离子导电而言，温度越高，其离子活动越强，电离程度也越强。因此，在温度不超过额定限度的前提下，电解液电容在高温状态下的性能要比低温状态下更好。 上图代表25摄氏度下，三种电容降低涟波电压的能力（电路可以以上一章节中的电路图为参考）。其中第一个表格所使用的OSCON SVP铝固体聚合物导体电容（1颗，100F，ESR=40毫欧姆） ），第二个表格所使用的是低阻抗铝电解液电容（3颗并联），第三个表格使用的是低阻抗钽电容（2颗并联）。 从表格中可以看出，在25摄氏度的常温状态下，三者所产生的涟波电压分别是22.8/23.8/24.8mV。也就是说，1颗铝固体聚合物导体电容，在25摄氏度下降低涟波电压的能力，大致相当于2颗钽电容和3颗铝电解液电容。 上图同样是这三种电容，同一电路，在70摄氏度下降低涟波电压的表现。可以看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能改变都不大，依然保持在2425mV左右，但是3颗铝电解液电容并联下的涟波电压降低到了16.4mV，这时只需要并联两颗这种电容，即可达到25摄氏度状态下的25mV左右水平，其性能提升巨大。 下面我们就要看低温环境下这三种电容的表现了。上图是在零下20摄氏度下三种电容的成绩。可以看出，在低温环境下，铝电解液电容的性能降低得非常厉害。3颗并联状态下的涟波电压由25摄氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。要将涟波电压降低到和25摄氏度相同的数值，需要并联7颗这种电容。相比之下我们还能看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能，无论是在25度、70度还是-20度环境下，其波动都不大。 从以上分析我们不难看出，铝电解液电容的ESR值受温度影响是极其明显的。上面的图表则直接画出了不同种类电容，在不同温度状态下的ESR曲线。其中铝电解液电容（蓝色线）随温度（Y轴）的增加，ESR值（X轴）降低明显。而铝固体聚合物导体电容（紫色线）和钽电容（绿色线）以及高档陶瓷电容（红色线）则近似于直线，其ESR值受温度影响不大。而普通陶瓷电容（粉红线）则受温度影响较大。 这里需要说明的是，上表中用做比较的铝固体聚合物导体电容，其容量较小（只有100F），而且ESR并不太低（40毫欧）。如换上大容量，ESR更低的同类产品，最终性能表现将更加突出。如何计算电容寿命 在电容的表面，会标明一个温度数据，例如125等等。这个温度，代表着该电容所能承受的最高温度，在这一最高温度下，电容一般只能保证正常工作1000个小时左右。而通过这个温度数值，我们可以使用公式计算出该电容在其它不同温度环境下的寿命。 铝固体聚合物导体电容的计算公式： L2=L110（t1-t2）/20（方括号内的算式结果作为10的幂，下同） 其中L2表示实际使用中电容的寿命，单位为小时、L1表示最高温度下的寿命（1000小时）、T1代表该电容所标明的最高工作温度（例如上面所说的125）、T2代表实际使用的温度（例如85度等等）。 假设一颗最高工作温度为125度的铝固体聚合物导体电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x10的2次方=100000小时，也就是说大约能工作11年左右。 铝电解液电容的计算公式： L2=L12（t1-t2）/10 假设一颗最高工作温度为125度的铝电解液电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x2的4次方=16000小时，也就是说大约只有不到2年。看图识别高档电容 在对各种不同型号的电容的性能有所了解之后，我们又该如何在现实当中识别它们呢？在消费者选购显卡、主板等产品的时候，若能快速判断其所用电容的档次，恐怕对最后下决定还是很有帮助的尤其是那些偏重产品做工的发烧友。 SANYO CVEX系列混合型电容： 图中绿色电容为SANYO CVEX SANYO的CVEX系列电容，其阳极为铝（本章节介绍的所有电容阳极均为铝），阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型。这种电容顶端一半为绿色，这是最好的识别方式。CVEX有插件封装的，也有贴片封装的。某些型号的表面还有“E”字样。 SANYO OSCON系列之TCNQ有机半导体电容：紫色为TCNQ电容（SANYO）SANYO OSCON的TCNQ全系列 SANYO OSCON系列分两种，其中一种的阴极采用TCNQ（在我们上篇文章当中对各种阴极材质的性能有详细介绍和比对，大家可以参考）有机半导体材质。这个系列的电容均采用直插封装，电容外部有PVC塑料外皮，外皮颜色为紫色。按性能不同，还分为“SF、SPA”等等具体型号。SANYO OSCON系列之固体聚合物导体电容：SANYO OSCON固体聚合物导体系列SANYO OSCON SVP铝固体聚合物导体电容 SANYO OSCON系列中性能更好的是采用固体聚合物导体（PPY/PEDT）作为阴极材质的电容。这种电容的外壳没有塑料皮，铝壳直接外露。大部分采用SMT贴片封装，但是也有少数，例如图中的SEP系列是采用直插封装的。这种电容表面并没有SANYO字样，上表面的一半为紫色，是这种电容最好的识别方式。 CHEMICON的PS系列 CHEMICON的PS系列电容同样采用固体聚合物导体（PEDT）作为阴极材质。为了和SANYO抗衡，CHEMICON的产品往往能做到与SANYO相同的价格，更好的性能。PS系列电容外壳上表面一半是蓝色，并可能有PS字样，电容为铝壳无塑料皮，有直插的，也有SMT贴片封装的。 图中蓝色为CHEMICON PS系列电容 以上便是在显卡和主板所常见的，阴极非电解液的高档铝电容。由于目前全球掌握固体聚合物技术的电容厂商还不多，而用在显卡、主板上的这类高档电容更是以SANYO和CHEMICON的产品为主。因此，我们在板卡上见到的其它铝电解电容基本都是铝电解液电容。比如我们常见的杂牌直插“包皮电容”，以及一些铝壳上端为黑色的贴片封装电容，它们无论是性能还