為什么我們需要去耦電容器？

時鐘數字IC通常需要大的瞬態電源電流。例如，大型微處理器可以在很短的時間內消耗高達 10 A 的電流。隨著 IC 輸出的上升/下降時間縮短，我們需要以更高的速率提供瞬態能量。PCB 的電源和接地導體確實存在一定的電感。如果數字 IC 的大瞬態電流流過電源和接地導體的電感，則會在電感上產生電壓。由于電源和接地導體上存在較大的瞬態電壓降，我們無法在 IC 的電源和接地焊盤上提供恒定電壓。

解決上述問題的方法是提供能夠提供瞬態電流的電荷源。這通常是通過將去耦電容器放置在非?？拷總€邏輯 IC 的位置來實現的。我們應該始終記住，電路電源布線僅補充去耦電容器中的電荷，并且應該由去耦電容器提供所有高頻瞬態電流。去耦電容器在與 IC 輸出的上升/下降時間相關的短時間間隔內提供瞬態電流，并且電源具有至少半個時鐘周期來對去耦電容器進行再充電。將高頻能量遠離配電走線使我們能夠更輕松地承受配電結構中不可避免的電感。

去耦環路的電感

如上所述，我們使用去耦電容器來避免通過配電走線提供高頻電流，這會表現出高電感。這就是為什么連接去耦電容器和 IC 的路徑電感也很重要。如果去耦環路的電感不夠小，邏輯IC就會嘗試通過功率分配結構來獲取其部分高頻能量。因此，我們需要仔細檢查去耦環路的電感，并盡一切可能將其化。請參考這篇文章了解減少去耦環路電感的重要技術。在本文中，我們將重點介紹可用于將去耦電容器連接到 PCB 電源層和接地層的不同過孔配置。

過孔承載相反方向的電流

安裝去耦電容器的傳統方法是將過孔放置在電容器焊盤旁邊，如圖 1 所示。

圖 1.圖片由電磁兼容性工程公司提供。

對于這種情況，從電容器的安裝焊盤到電源接地平面對的總電感的典型值約為 1.1 nH。為了減少這些過孔的總電感，我們可以將它們靠近在一起。將過孔靠近在一起會增加它們之間的互感。

由于這兩個過孔的電流流向相反，因此增加的互感將減小每個過孔的凈電感。為了更好地理解這一點，請記住流經電感器的電流會產生環繞導體的磁力線。這些磁力線的方向可以通過圖 2 所示的右手定則找到（在本例中，電流方向為向上）。

圖 2.使用的圖像由Signal and Power Integrity-Simplified提供。

當電流通過通孔時，會產生圍繞通孔的磁力線。一個通孔的一些磁力線也將環繞另一通孔。

由于兩個過孔產生相反方向的磁場（參見圖 3），因此它們之間的磁耦合實際上會減少圍繞每個過孔的磁力線總數。導體周圍的凈磁力線數量決定了其電感。因此，當我們的通孔承載相反方向的電流時，增加它們之間的磁耦合將減少每個通孔表現出的有效電感。

圖3

因此，降低去耦環路電感的一種技術是將過孔靠近在一起，如圖 4 所示。在這種情況下，電容器安裝焊盤與電源接地平面對之間的電感降低至 0.7 nH。

圖 4.圖片由電磁兼容性工程提供。

過孔承載相同方向的電流

為了進一步降低去耦環路的電感，我們可以對每個電容器焊盤使用多個過孔，而不是僅使用一個過孔。圖 5 顯示了兩種可能的布置。

圖 5.圖片由電磁兼容性工程提供。

如果連接到同一焊盤的過孔之間沒有互感，我們可以很容易地得出結論，并聯過孔的等效電感將與過孔的數量成反比。如果它們之間存在互感怎么辦？

通過連接到同一焊盤的過孔的電流方向相同。與圖 3 中的情況不同，圖 5 的平行通孔之間的磁耦合將增加圍繞每個通孔的磁力線總數。因此，當我們有承載相同方向電流的過孔時，增加它們之間的磁耦合將增加每個過孔表現出的有效電感。

讓我們考慮每個焊盤有兩個過孔的布置（上左圖）。假設每個過孔的自感為L，并聯過孔之間的互感為M（下圖6）。等效電感值是多少？

圖6

考慮到兩個過孔的磁力線方向相同，可以看出兩個過孔的等效電感為：

互感 M 不能大于自感 L。因此，在壞的情況下，

接近于 L。但是，如果我們將連接到同一焊盤的過孔彼此充分分開，我們可以顯著減小互感 M，并獲得接近于

L2的等效電感。

通常假設，如果過孔之間的中心間距大于過孔的長度，則互感變得遠小于自感。在這種情況下，過孔的等效電感幾乎與過孔的數量成反比。

使用多個過孔的另一個優點

我們看到，通過多個過孔，我們可以獲得與過孔數量成反比的等效電感。還有另一種機制可以使圖 5 的布置具有較低的電感。為了理解第二種機制，我們需要考慮當電流通過通孔饋入或流出平面時平面中的電流分布。如圖7所示，在過孔附近，電流被限制通過過孔流入或流出平面。當我們遠離過孔時，電流會擴散。

圖 7.圖片由電磁兼容性工程提供。

檢查平面的電感可能是一個復雜的問題，超出了本文的范圍。您可以在《電磁兼容性工程》一書的第 10 章中找到一些詳細信息。重要的一點是，遠離過孔，電流可以擴散，并且平面呈現出低電感。然而，在過孔附近，電流無法擴散，并且路徑的電感顯著增加。

有趣的是，圖 7 中所示的電流分布的總電感將主要由過孔附近的大電感決定。圖 5 的布置使用多個過孔連接到平面。因此，與使用單通孔的配置相比，多通孔配置允許電流在平面的更廣泛區域中擴散。因此，多個通孔可以減小通孔附近的平面的電感，并且因此減小去耦環路的電感。