1 引言

隨著系統(tǒng)體積的減小，工作頻率的提高，系統(tǒng)的功能復(fù)雜化，這樣就需要多個不同的嵌入式功能模塊同時工作。只有各個模塊具有良好的EMC和較低的EMI，才能保證整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。這就要求系統(tǒng)自身不僅需要具有良好的屏蔽外界干擾的性能，同時還要求在和其他的系統(tǒng)同時工作時，不能對外界產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。另外，開關(guān)電源在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，一個系統(tǒng)中往往需要用到多種電源。不僅電源系統(tǒng)容易受到干擾，而且電源供應(yīng)時產(chǎn)生的噪聲會給整個系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的EMC問題。因此，在高速PCB設(shè)計中，如何更好的濾除電源噪聲是保證良好電源完整性的關(guān)鍵。本文分析了電容的濾波特性，電容的寄生電感電容的濾波性能帶來的影響，以及PCB中的電流環(huán)現(xiàn)象，繼而針對如何選擇旁路電容做出了一些總結(jié)。本文還著重分析了電源噪聲和地彈噪聲的產(chǎn)生機理并在其基礎(chǔ)上對旁路電容在PCB中的各種擺放方式做出了分析和比較。

2 電容的插入損耗特性、頻率響應(yīng)特性與電容的濾波特性

2.1 理想電容的插入損耗特性

EMI電源濾波器對干擾噪聲的抑制能力通常用插入損耗（Insertion Loss）特性來衡量。插入損耗的定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率P1和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率P2之比，用dB（分貝）表示。圖1是理想電容的插入損耗特性，可以看出，1μF電容對應(yīng)的插入損耗曲線斜率接近20dB/10倍頻。

觀察其中某一條插入損耗特性，當(dāng)頻率增加時，電容的插入損耗值是增加的，也就是說P1/P2值是增加的，這意味著系統(tǒng)通過電容濾波以后，能夠傳輸?shù)截?fù)載的噪聲減少，電容濾除高頻噪聲的能力增強。從理想電容的公式分析，當(dāng)電容一定時，信號頻率越高，回路阻抗越低，也即電容易于濾除高頻的成分。從兩個方面得出的結(jié)論是相同的。

再觀察不同電容所對應(yīng)的曲線，在頻率很低的情況下，各種電容所對應(yīng)的插入損耗值是近似相同的，但是隨著頻率的增加，小電容的插入損耗值增加的幅度較大電容要慢一些，P1/P2值增加得也就較慢，也就是說大電容更容易濾除低頻噪聲。因而我們在設(shè)計高速電路板時，通常在電路板的電源接入端放置一個1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。

連接在電源和地之間的電容的阻抗可由如下公式計算：電容濾波的目的是濾除疊加在電源系統(tǒng)中的交流成分，從上面的公式可以看出，當(dāng)頻率一定時，電容值越大，回路中的阻抗就越小，這樣交流信號就越容易通過電容流到地平面上去，換句話說，即似乎電容值越大其濾波效果越好，事實上并非如此，因為實際電容并不具有理想電容的所有特性。實際電容存在寄生成分，這是構(gòu)造電容器極板和引線時所形成的，而這些寄生成分可等效為串聯(lián)在電容上的電阻與電感，通常稱之為等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感(ESL)，其模型如圖2的左半部分所示。如果忽略電容的寄生電阻則模型可等效為圖2的右半部分。這樣電容實際上就是一個串聯(lián)諧振電路。在實際的電路或者PCB設(shè)計中，電容寄生電感的存在將對電容的濾波性能帶來很大的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該選擇寄生電感比較小的電容。

2.2 實際電容的高頻響應(yīng)特性

從2.1節(jié)我們知道，實際電容在工作時由于存在寄生電感的緣故，使得電容回路成為一個串聯(lián)諧振回路。諧振頻率為，式中：L為等效電感；C為實際電容。如圖3所示，當(dāng)頻率小于f0時，呈現(xiàn)為電容；頻率大于f0時，呈現(xiàn)為電感。所以，電容器更像是一個帶阻濾波器，而不是一個低通濾波器。電容的ESL和ESR是由電容的構(gòu)造和所用介質(zhì)材料決定的，與電容容量無關(guān)。對于高頻的抑制能力并不會因為更換大容量的同類型電容而增強。更大容量的同類型電容器的阻抗在頻率低于f0時，比小容量電容器的阻抗小，但是，當(dāng)頻率大于f0時，ESL決定了二者的阻抗沒有差別?？梢?，為了改進高頻濾波特性，必須使用具有較低ESL的電容器。任何一種電容器的有效頻率范圍是有限的，而對于一個系統(tǒng)，既有低頻噪聲，又有高頻噪聲，所以通常要用不同類型的電容并聯(lián)來達到更寬的有效頻率范圍。