高速PCB中旁路电容的分析

1 引言

随着系统体积的减小，工作频率的提高，系统的功能复杂化，这样就需要多个不同的嵌入式功能模块同时工作。只有各个模块具有良好的EMC和较低的EMI，才能保证整个系统功能的实现。这就要求系统自身不仅需要具有良好的屏蔽外界干扰的性能，同时还要求在和其他的系统同时工作时，不能对外界产生严重的EMI。另外，开关电源在高速数字系统设计中的应用越来越广泛，一个系统中往往需要用到多种电源。不仅电源系统容易受到干扰，而且电源供应时产生的噪声会给整个系统带来严重的EMC问题。因此，在高速PCB设计中，如何更好的滤除电源噪声是保证良好电源完整性的关键。本文分析了电容的滤波特性，电容的寄生电感电容的滤波性能带来的影响，以及PCB中的电流环现象，继而针对如何选择旁路电容做出了一些总结。本文还着重分析了电源噪声和地弹噪声的产生机理并在其基础上对旁路电容在PCB中的各种摆放方式做出了分析和比较。

2 电容的插入损耗特性、频率响应特性与电容的滤波特性

2.1 理想电容的插入损耗特性

EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力通常用插入损耗（Insertion Loss）特性来衡量。插入损耗的定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的噪声功率P1和接入滤波器后，噪声源传输到负载的噪声功率P2之比，用dB（分贝）表示。图1是理想电容的插入损耗特性，可以看出，1μF电容对应的插入损耗曲线斜率接近20dB/10倍频。

观察其中某一条插入损耗特性，当频率增加时，电容的插入损耗值是增加的，也就是说P1/P2值是增加的，这意味着系统通过电容滤波以后，能够传输到负载的噪声减少，电容滤除高频噪声的能力增强。从理想电容的公式分析，当电容一定时，信号频率越高，回路阻抗越低，也即电容易于滤除高频的成分。从两个方面得出的结论是相同的。

再观察不同电容所对应的曲线，在频率很低的情况下，各种电容所对应的插入损耗值是近似相同的，但是随着频率的增加，小电容的插入损耗值增加的幅度较大电容要慢一些，P1/P2值增加得也就较慢，也就是说大电容更容易滤除低频噪声。因而我们在设计高速电路板时，通常在电路板的电源接入端放置一个1～10μF的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与地线之间放置一个0.01～0.1μF的电容，滤除高频噪声。

连接在电源和地之间的电容的阻抗可由如下公式计算：电容滤波的目的是滤除叠加在电源系统中的交流成分，从上面的公式可以看出，当频率一定时，电容值越大，回路中的阻抗就越小，这样交流信号就越容易通过电容流到地平面上去，换句话说，即似乎电容值越大其滤波效果越好，事实上并非如此，因为实际电容并不具有理想电容的所有特性。实际电容存在寄生成分，这是构造电容器极板和引线时所形成的，而这些寄生成分可等效为串联在电容上的电阻与电感，通常称之为等效串联电阻（ESR）和等效串联电感(ESL)，其模型如图2的左半部分所示。如果忽略电容的寄生电阻则模型可等效为图2的右半部分。这样电容实际上就是一个串联谐振电路。在实际的电路或者PCB设计中，电容寄生电感的存在将对电容的滤波性能带来很大的影响，因此在系统设计时应该选择寄生电感比较小的电容。

2.2 实际电容的高频响应特性

从2.1节我们知道，实际电容在工作时由于存在寄生电感的缘故，使得电容回路成为一个串联谐振回路。谐振频率为，式中：L为等效电感；C为实际电容。如图3所示，当频率小于f0时，呈现为电容；频率大于f0时，呈现为电感。所以，电容器更像是一个带阻滤波器，而不是一个低通滤波器。电容的ESL和ESR是由电容的构造和所用介质材料决定的，与电容容量无关。对于高频的抑制能力并不会因为更换大容量的同类型电容而增强。更大容量的同类型电容器的阻抗在频率低于f0时，比小容量电容器的阻抗小，但是，当频率大于f0时，ESL决定了二者的阻抗没有差别。可见，为了改进高频滤波特性，必须使用具有较低ESL的电容器。任何一种电容器的有效频率范围是有限的，而对于一个系统，既有低频噪声，又有高频噪声，所以通常要用不同类型的电容并联来达到更宽的有效频率范围。