解耦电容和旁路放置指南

电源完整性问题通常从电源的角度来看，但同样重要的是观察集成电路的输出。旁路和去耦电容旨在补偿PDN上看到的电源波动，这确保了信号水平的一致性和集成电路的电源/地脚上看到的恒定电压。我们汇编了一些重要的旁路和去耦电容设计指南，以帮助您在下一个PCB中成功使用这些组件。在这篇博客中，我们将讨论旁路电容与去耦电容的区别。

两个相关的电源完整性问题

去耦电容和旁路电容用于解决两种不同的电源完整性问题。尽管这些电源完整性问题相关，但它们以不同的方式表现出来。首先要注意的是，用于电源完整性的“去耦电容”和“旁路电容”这些术语是用词不当；它们并不去耦或旁路任何东西。它们也不会将“噪声”传递到地面；它们只是随着时间的推移充电和放电，以补偿噪声波动。这些术语指的是这些电容作为电源完整性策略的一部分的功能。

首先，考虑去耦电容。通常认为，PCB去耦电容的放置目的是为了确保电源轨/平面与地平面之间的电压在低频电源噪声、PDN上的振铃以及PDN上的任何其他电压波动中保持恒定。当去耦电容放置在电源和地平面之间时，它与平面并联，这增加了总PDN电容。实际上，它们补偿了不足的层间电容并降低了PDN阻抗，使得PDN电压中的任何振铃都被最小化。

现在考虑旁路电容。它们也旨在维持PDN和驱动IC内的恒定电压，但它们补偿的电压是输出引脚与PCB接地平面之间的电压。尽管它们被放置在电源引脚和IC上的接地连接之间，但它们执行的功能不同，即对抗电容至地的反弹。当数字IC开关时，键合线、封装和引脚中的寄生电感会导致驱动器输出与地之间的电压增加。旁路电容输出一个与地反弹电压相反的电压，理想情况下导致总电压波动总和为零。

在上述模型中，存在一个闭环，其中包括旁路电容（CB）和IC封装/地面连接上的杂散电感L1。请注意，地面弹跳电压 V(GB)是在输出引脚和地面平面之间测量的。其余的电感都是寄生元件，这些寄生元件影响旁路电容补偿地面弹跳的响应时间。在理想模型中，旁路电容看到的电压将补偿由杂散电感L1在切换过程中产生的地面弹跳电压。

旁路电容放置指南

如果你观察电容器对地反弹的方式，应该很明显知道在哪里放置旁路电容器。由于上述电路模型中的寄生电感，旁路电容器应尽可能靠近电源和地线引脚放置，以最小化这些电感。这与你在许多应用说明和元件数据表中找到的建议是一致的。

还有另一个需要考虑的方面，与寄生电感有关，那就是连接到IC的方式。不应该从电容器引出一条短的走线到IC引脚，而应该通过过孔将电容器直接连接到地线和电源平面。在这种布局中，确保遵守焊盘和走线间距要求。

为什么会这样？原因是地/电源平面布局（只要平面在相邻层中）将具有非常低的寄生电感。实际上，这是您的板中寄生电感的最低来源。如果您能将旁路电容器放置在板的底面，您可能能实现更好的布局。

解耦电容器设计指南

在您确定了PCB去耦电容的大小之后，您需要在某个位置放置它，以确保它能够补偿输入电压的波动。实际上，最好使用多个电容器，因为它们将并联排列，这种并联排列将提供更低的有效串联电感。

旧的指南可能会告诉你可以在电路板上的任何地方放置它们。然而，请小心，因为这可能会增加去耦电容器与目标IC之间的寄生电感，从而增加PDN的阻抗和对EMI的敏感性。相反，对于具有快速边沿速率的IC，您应该将它们放置得更靠近目标IC。下面的图片展示了一个典型的旁路和去耦电容器在IC附近的放置方式。这是高速电路的一个最佳布局，因为所有信号路径上电容器与IC之间的寄生电感将非常低。

请注意，这是一个侧视图，显示了一种看似奇怪的焊盘排列，但是平面之间和表面层之间的连接是重要的点。将信号线路回路引入内层而不是表面层，可以将环路电感降到最低。

在建模PDN阻抗时要小心

请记住，PDN的阻抗决定了PDN上任何瞬态电压振荡的大小（在电源和地之间测量）。然而，旁路电容器也连接在电源和地之间，所以它们也是PDN的一部分！旁路和去耦电容器的放置，以及寄生电容和寄生电感，将共同决定PDN的阻抗谱，创建一个复杂的共振和反共振结构。

虽然你可以在网上找到一些PDN优化工具，但它们假设所有寄生电路元件为零，这与现实不符。在电路模型中，你如何排列你的去耦/旁路电容器（从小到大或从大到小）并不重要。在真实布局中，寄生效应很重要（如上所述），特别是对于高速/低电平IC。

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