旁路电容在实际应用中如何选型

对于一个实际的电路系统， 我们如何正确选取合适的电容呢？

我们以一个实际例子来说明， 假设电路中有 50 个驱动缓冲器同时开关输出， 边沿速度1ns，负载 30pF，电压 2.5 伏，允许波动范围为+/-2%（ 如果考虑电源层的阻抗影响， 可允许的波动范围可增加）。 则最简单的一种方法就是看负载的瞬间电流消耗，计算方法如下：

1． 先计算负载需要的电流 I

则总的电流需要： 50X75mA=3.75A
2． 然后可以算出需要的电容

3． 考虑到实际情况可能因为温度，老化等影响，可以取 80nF 的电容以保证一定的裕量。
并可采用两个 40nF 的并联，以减小 ESR。

上面的这种计算方法很简单， 但实际的效果不是很好， 特别是在高频电路的应用上， 会
出现很多问题。 比如上面的这个例子， 即便电容的电感很小， 只有 1nH， 但根据 dV=Ldi/dt，可以算出大概有 3.75V 的压降，这显然是无法接受的

因此， 针对较高频率的电路设计时， 我们要采用另外一种更为有效的计算方法， 主要的
是看回路电感的影响。仍以刚才那个例子分析：

a．先计算电源回路允许的最大阻抗 Xmax

Xmax=Δ V/ΔI=0.05V/3.75A=13.3 mohms

b．考虑低频旁路电容的工作范围 FBYPASS
FBYPASS=Xmax/2ΠL0=13.3/(2X3.14X5)=424KHz

这是考虑板子上电源总线的去耦电容， 一般取值较大的电解电容， 这里假设其寄生电感
为 5nH。可以认为频率低于 FBYPASS 的交流信号由板级大电容提供旁路。

4． 考虑最高有效频率 Fknee，也称为截止频率

Fknee=0.5/Tr=0.5/1ns=500MHz，截止频率代表了数字电路中能量最集中的频率范围，超
过 Fknee 的频率将对数字信号的能量传输没有影响。

5． 计算出在最大的有效频率（ Fknee）下，电容允许的最大电感 LTOT

6． 假设每个电容的 ESL 为 1.5nH(包含焊盘引线的电感)，则可算出需要的电容个数 N：
N=ESL/LTOT=1.5nH/4.24pH=354

7． 电容在低频下不能超过允许的阻抗范围，可以算出总的电容值 C

8． 最后算出每个电容的取值 Cn
Cn=C/N=28.3uF/354=80nF
计算结果表示，为了到达最佳设计效果，我们需要将 354 个 80nF 的电容平均分布在整
个 PCB 板上，但是从实际情况看，这么多电容往往是不太可能的，如果同时开关的数目减
少， 上升沿不是很快， 允许电压波动的范围更大的话， 计算出来的结果也会变化很大。 如果
实际的高速电路要求的确很高的话，我们只有尽可能选取 ESL 较小的电容来避免使用大量
的电容。