原创 关于旁路电容的深度对话(第一部分)

编辑引言：旁路电容是关注度低、没有什么魅力的元器件，一般来说，在许多专题特写中不把它作为主题，但是，它对于成功、可靠和无差错的设计是关键。来自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz参加了关于该主题的进一步对话。本文是对话的第一部分。Dave和Tamara信仰辩论的价值、教育的价值以及谦虚地深入讨论核心问题的价值；简而言之，为了获取知识而展开对一个问题的讨论。下面请“聆听”并学习。

David: 有一种观念认为，当我们做旁路设计时，我们对低频成分要采用大电容(微法级)，而对高频成分要采用小电容(纳法或皮法级)。

Tamara: 我赞成，那有什么错吗？

David: 那听起来很好并且是有意义的，但是，问题在于当我在实验室中验证那个规则时并未得到我们想要的结果！我要向您发出挑战，Tamara博士。

Tamara: 好啊！我无所畏惧。

David: 让我们看看，你有一个电压调整器并且它需要电源。电源线具有一些串联阻抗(通常是电感以及电阻)，这样对于短路来说，它在瞬间提供的电流就不会出现大变化。它需要有一个局部电容供电，如图1所示。

图1：旁路电容的功能。

Tamara: 我到目前均赞成你的观点。那就是旁路的定义。Dave，接着说吧。

David: 例如，有些人可能用0.1 μF电容进行旁路。他们也可能用一个1000pF的电容紧挨着它以处理更高的频率。如果我们已经采用了一个0.1 μF的电容，那么，紧挨着它加一个1000pF电容就没有意义。它会增加1%的容值，谁会在意？

Tamara: 然而，除了电容值之外，有更多要研究的内容。这两种数值的电容均不理想。

David: 我们必须考察0.1 μF的实际电路；它存在有效串联电阻(ESR)以及有效串联电感(ESL)。

Tamara: 有时候，你还要把介质损耗一项当成一个并联电阻来考虑，如图2所示。

图2：旁路电容的模型。

David: 现在，当我们遇到具有瞬态特性的这一损耗时，我们假设0.1 μF电容的ESL远远大约1000pF的电容。我们需要某一器件在短期内供电，因ESL的存在而让0.1 μF的电容做不到这一点。假设就在于1000pF的电容具有更低的ESL，因此，能够提供更好的电流。

Tamara: ESL与你获得以及封装的电容的类型有关。其数值可能完全独立于电容本身的尺寸和数值，如图3所示。

David: (显示出对年轻同事所具有的知识的惊讶)

Tamara: 我曾经看到过一些人把100 nF、10 nF和1 nF的电容分级并联起来使用，它们可能均采用相同的封装，例如0402，因为这些电容通常就是采用这种封装形式。然而，每一种0402封装均具有相同的ESL，因为它们具有相同的电感以及相同的高频响应，因此，这么安装电容于事无补。

图3：旁路电容的阻抗。

David: 我们在实验室中所发现的问题在于，各种封装均是类似的。我们所采用的大多数陶瓷电容均为面积是0805或0603的电容。我测试发现，把0603 0.1 μF电容挨着0603 100pF电容安装，效果上不如仅仅采用两个0603 0.1 μF的电容。

Tamara: 那是完全有可能。我猜测，你所处的频率范围就是0603 0.1 μF电容被最优化的频率范围。

图4：相同尺寸和不同尺寸的电容的阻抗比较。

David: 是的，ESR和ESL是原数值的一半且非常管用。在这些应用中，我所研制的开关调整器的工作频率大约为1MHz。

Tamara: 在你的情况下，要调整电容的数值以及封装，以改善对你没有兴趣的那个频率范围的旁路网络。图4假设我们谈论的是相同类型的电容(陶瓷电容)。其它类型的电容—如钽电容—具有更高的ESR，因此，整个曲线突起。另一方面，有时可能全部要采用钽电容。

David: 我们现在讲讲历史。过去，人们采用他们手上能用的一切元器件。那时，你无法获得封装小的100 μF电容，你不得不通过缩短旁路电容器上的引线来改善旁路网络。当今的大电容的尺寸正逐渐缩小类似于较小电容所具有的尺寸。当你开始认真考虑选择一只0.1 μF电容时，你肯定选择0603的封装，并且，最终会选择0402封装的电容(因为我没有看过0402封装的电容，我倾向于不采用那些电容)。

Tamara: 按照分级封装的阶梯电容(stepped capacitor)的确切含义来自于赛灵思公司的讨论。他们的FPGA被用于各种各样的应用之中，并且，他们设法测试了所有的条件。因此，他们在高达5Gsps的宽频带内需要一种低阻抗电容对电源旁路。另一方面，你需要一种较低带宽的解决方案。

David: 我的评论全部来自较之于比赛灵思的速度更低的电源应用。你的辩论非常聪明，因为你指的是封装尺寸，而其他人没有那么深入的思考。他们通常所，高频需要小电容，而低频需要大电容。

Tamara: 啊，真是的，我要脸红了。

David: 我的旁路事业一直是非常令人厌烦的，因为在大多数时间内，规则就是用0.1 μF电容旁路每一个芯片，那就管用了。

Tamara: 那不仅仅与封装有关，而且还与布局有关。

David: 绝对正确!我循着电路板上的电流路线，发现电路板上存在电感。在任何电流路径上的电感与该路径的闭环面积呈正比。因此，当你围绕一个区域对元器件进行布局时，你需要把元器件紧凑地布局。那就是你为什么把元器件保持紧凑布局的原因—保持电感为低。然后，选择具有良好ESL和ESR的电容。我希望对于它有更多的设计艺术，但是，它的确是实用证明正确的少数的简单规则之一。

Tamara: 当然，你可以购买具有较低ESL和ESR的电容，但是，他们通常比标准的陶瓷电容更为昂贵。

David: 在大多数情形下，与每一块芯片尽可能接近的0.1 μF旁路电容仍然非常管用。

(未完待续)

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