退耦电容
采用电容退耦是解决电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度,降低电源分配系统的阻抗都非常有效。
储能角度
在电路设计中,一般会在负载芯片周围放置一些电容,这些电容就是起电源退耦作用。如下图。
当负载电流不变时,其电流由稳压电源部分提供,即图中的I_o,方向如图所示。此时电容两端电压与负载两端电压一致,电流 I_c 为 0,电容两端存储相当数量的电荷,其电荷数量和电容量有关。
当负载瞬态电流发生变化时,由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快,必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化,因此,电流 I_o 不会马上满足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同,因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必然产生电流,此时电容对负载放电,电流 I_c 不再为 0,为负载芯片提供电流。
根据电容公式
只要电容量 C 足够大,只需很小的电压变化,电容就可以提供足够大的电流,满足负载瞬态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里,相当于电容预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,即电容是储能元件。储能电容的存在使负载消耗的能量得到快速补充,因此保证了负载两端电压不至于有太大变化,此时电容担负的是局部电源的角色。
从储能的角度来理解电源退耦,非常直观易懂,但是对电路设计帮助不大。从阻抗的角度理解电容退耦,能让我们设计电路时有章可循。实际上,在决定电源分配系统的去耦电容量的时候,用的就是阻抗的概念。
阻抗角度
将图 1 中的负载芯片拿掉,如图 2 所示。从 AB 两点向左看过去,稳压电源以及电容退耦系统一起,可以看成一个复合的电源系统。这个电源系统的特点是:不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化,都能保证 AB 两点间的电压保持稳定,即 AB 两点间电压变化很小。
我们可以用一个等效电源模型表示上面这个复合的电源系统,如图 3
对于这个电路可写出如下等式:
我们的最终设计目标是,不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化,都要保持 AB 两点间电压变化范围很小,根据公式 2,这个要求等效于电源系统的阻抗 Z 要足够低。在图 2 中,我们是通过去耦电容来达到这一要求的,因此从等效的角度出发,可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。另一方面,从电路原理的角度来说,可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性,因此加入电容,实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。