电源去耦的原因-和如何电源去耦

浅谈电源去耦——电源去耦的原因【转载】
浅谈电源去耦系列第一篇，希望从定性的角度谈谈自己对电源去耦的理解。也是Andrew的第一篇博文，希望大家支持，不足之处也请各位多多指正浅谈电源去耦——电源去耦的原因

1.理想的电源：
“理想的电源”的电压是稳定不变的，没有任何噪声的，输出功率是不受限制的，并且响应速度是无限快的。即无论负载的消耗的电流如何变化、以怎样的速度变化，电源的电压都应该是一个稳定不变的值。不会受到负载的任何影响，也完全符合的负载的供电需求，不会影响负载的正常工作。

2.实际电路常用电源器件的简单介绍：
电子电路中经常使用的实际电源器件由两种：
1.线性稳压器:
这种电源的原理结构图一般如下所示

利用负反馈的原理，将输出的电压通过两个电阻分压之后反馈到“运放”的输入端，而运放的另一输入端接一固定的参考电压Vref，根据虚短虚断和负反馈的原理，运放会自动调节输出电压，从而调节调整管的导通电阻（图中的FET），使输出电压Vout和Vref之间满足Vout·R2/（R1+R2）=Vref。可见，线性稳压电源可以等效成为一个串联在电源和负载之间的可变电阻，当电源的电压或负载电流发生变化时，该电阻的阻值随之变化，从而使负载分到的电压保持不变。

2.开关电源：
以升压型开关电源为例，其一般结构如下图

图中的FET起开关作用，FET导通时电源对电感和电容充电，并且给负载提供能量，FET关断时，电感电容中储存的能量通过续流二极管形成回路，给负载提供电能。控制FET开关的占空比就可以调节输出电压的大小。
电子电路中常用的电源就是以上两种，这两种各有优缺点，使用场合也有差别，并且每种都可继续细分为多种子类，这已经超出了本篇电源去耦的范畴。从上面简单的介绍中我们可以看出这两种实际的电源都是有局限性的。

3. 实际电源与理想电源的差距：
（1）实际电源器件的特性与理想电源之间有差距：
响应速度：前面说线性稳压电源是通过负反馈来改变调整管的导通电阻实现稳压的。但运放的带宽都是有限的，并且负反馈的过程需要一定的时间。所以实际的线性稳压电源是需要一定的响应时间。换句话说，当输入电压或负载的电流变化速度过快或幅度过大时，电源器件来不及响应或不能完全消除这种变化，则负载的供电电压就会变化，影响负载的正常工作。
噪声特性：开关电源由于工作在开关状态下，即电路内部有电流的急剧变化，所以噪声相对线性稳压器更大。并且电源内部的各种半导体器件自身也有噪声。这些噪声和电源的不理想特性都会对负载造成一定的影响。
具体描述电源器件特性的参数有线性调整率、负载调整率、输出电压噪声等。
（2）PCB走线对电源质量有影响：
我们都知道，高速的PCB一般都是多层板，其中有专用的电源层，目的是减小电源线的寄生电感。电感的作用是阻碍电流的迅速变化，如果电源线的寄生电感很大，则当负载突然需要电流的时候，无法及时的从电源处获取。而宽大的电源平面可以将寄生电感最小化，提高电源的质量。
而即使如此，寄生电感还是存在的。为了提供芯片需要的瞬时电流，经常在芯片引脚处放置去耦电容（电容的电流可突变，电压不可突变）。
（3）外界干扰对电源质量有影响：
电源线在走线过程中也会受到板上其他信号和空间的电磁干扰的影响从而噪声变大。去耦电容可以有效的滤除这些噪声
总结：电源去耦的最终目标是为了负载能够正常工作，使电源特性更加接近理想电源——能快速响应负载的电流需求、电压稳定、干净无噪声。使电路各部分之间通过电源产生的耦合干扰降至最小。

浅谈电源去耦——如何电源去耦

1.常用于电源去耦的元件组合
（1）不同容值的电容组合：
小容值的电容可以滤除电源线上的高频噪声，使电源更加干净，并且负责提供负载的高频电流需求。
大电容同样起到蓄流的作用，响应负载的低频电流需求，滤除电源线上的低频波动。
理论上，对于任意固定频率，容值越大的电容阻抗越小。但由于电容本身也有寄生电感，而且往往容值越大寄生电感越大，在高频处，电容最终都会显现出感性，阻抗随频率的升高而升高。小电容的转折点（下图中的阻抗曲线的最低点）频率值较之大电容更大。所以大电容对高频电流的响应特性没有小电容好。
下图是不同容值电容的阻抗随频率变化的曲线。但是大电容可以响应频率相对较低，电流需求大的电流变化。

（2）不同封装的电容组合：
普遍来说，贴片电容比直插电容的寄生电感小，长宽比小的比长宽比大的封装寄生电感小（同容值，0612的电容比1206电容寄生电感小，高频特性更好）。
（3）不同种类的电容组合：
贴片陶瓷电容：高频特性最好，但容值较小，常用的最大容值为10uF。常用于高频电路的电源滤波去耦。
钽电解电容：高频特性较好，相同体积下可以实现最大的容值。确定是耐压值较低，容易损坏。
铝电解电容：高频特性最差，但是容值最大，可以做到几千微法。常用于电源入板处的滤波和去耦，此处的电容需要有容量大的特点，但对响应速度要求不高。
因此，各种类型的电容在电源去耦中担当的角色一般是这样的：陶瓷电容最靠近芯片，负责提供负载高频的电流需求和噪声过滤，容值一般几nF到几uF之间。钽电容和铝电解电容因为容量大、响应速度较慢，一般用于板级的电源去耦和滤波，或者是大功率电路的电源去耦。当即要求速度，有要求容量的时候一般用多个瓷片电容并联或瓷片电容与钽电容并联。选择钽电容，耐压值要留有一定的裕量，因为电源上电瞬间一般会有一定的过冲，容易损坏钽电容。电源处并联上稳压管或TVS管可以抑制过冲，是很有效的解决办法、
（注：各种电容的ESR、ESL等参数之间有差异，详细可百度华为公司的内部资料：无源滤波器件——电容的介绍与深入认识）
（4）电容和电感、磁珠的组合：
一般的电源去耦只需要去耦电容即可满足实际需求，但对电源质量要求很高的模拟电路等，仅仅使用去耦电容可能效果有限，因为如论并联多少个电容，都只能形成单个极点，响应曲线的滚将速度只有20dB/10倍频。因此，可以在电源线上串联电感或磁珠。这样可以进一步减少电源波动对负载的影响，也能防止一些高噪声的负载通过电源线将噪声耦合到其他敏感的电路上。
2.不同电路中的电源去耦
（1）小功率电路：
模拟电路：
比如信号处理电路，中常用10uF和100nF贴片瓷片电容去耦。有的时候受到电路板空间的限制，可以多个芯片公用一个10uF的电容，但应保证每个芯片的电源引脚处都就近放置一个100nF的电容。
高精度的模拟电路中，经常放置多个容值梯度的电容（如10uF、100nF、1nF并联），保证去耦电容可以过滤很宽频率范围内的电源噪声。并且电源线串联磁珠会进一步减小噪声。
数字电路：
数字电路工作在高速开关状态下，电源电流变化迅速，并且数字信号中有丰富的高频成分，会对电源造成干扰，因此常用100nF的贴片陶瓷电容进行电源去耦。
电路板的电源入板接口处通常放置容值较大的电解或钽电容。此用途为电源滤波。
（2）大功率电路：
大功率的电路的电源去耦（如电机驱动H桥的电源去耦）要用到更大容值的电容，比如470uF甚至几千微法的电解电容，但是除了用电解电容之外，还需要并联上几个瓷片的小电容，提高高频响应特性，过滤MOSFET高速开关因此的电源毛刺。
3.去耦元件的放置原则：
（1）就近原则：
去耦电容应尽可能的靠近芯片的电源引脚。减小去耦电容和芯片之间走线的寄生电感，去耦效果更好。
（2）越小越近的原则：
小容值电容最靠近芯片，然后按照容值递增的原则依次远离芯片（远离是相对的，前提是遵循就近原则）。小电容负责高频响应，应该更靠近芯片缩短响应的时间。并且小电容可以滤除高频噪声，若距离芯片太远，则电容和芯片之间的走线会重新拾取噪声，削弱去噪效果。
（3）电源线先经过去耦电容再连接至芯片引脚：