工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB電源分配系統(tǒng)的時(shí)候，首先把整個(gè)設(shè)計(jì)分成四個(gè)部分：電源(電池,、轉(zhuǎn)換器或者整流器),、PCB、電路板去耦電容和芯片去耦電容,。本文將主要關(guān)注PCB和芯片去耦電容,。電路板去耦電容通常很大，大約是10mF或者更大,，而且主要用于特定場(chǎng)合中,。
設(shè)計(jì)一個(gè)去耦電容包括兩步。首先,，整流器根據(jù)電氣計(jì)算電容值,，然后將電容放置在PCB上。確切地講,，電容放在離數(shù)字芯片多遠(yuǎn)的地方合適,？但人們常常忽略了PCB本身就是去耦設(shè)計(jì)的一部分。本文將討論在哪里電路板適合去耦設(shè)計(jì),。
去耦需求
基本上,，電源通過(guò)一根導(dǎo)線向數(shù)字芯片提供能量。這個(gè)電源有可能離芯片比較“遠(yuǎn)”,。電源線為5 英寸長(zhǎng)的16 AWG的電線和4英寸長(zhǎng)的20mil的走線并不少見(jiàn),。這些導(dǎo)線具有電阻、電容和感應(yīng),，這些都影響能量的傳送,。電感和導(dǎo)線的長(zhǎng)度成正比，是產(chǎn)生大多數(shù)質(zhì)量問(wèn)題的原因,。
走線需要著重考慮,，因?yàn)樗鼪Q定了總的電感和電流流動(dòng)的環(huán)路環(huán)路。這個(gè)環(huán)路環(huán)路能夠而且很可能會(huì)輻射電磁干擾(EMI),。
在芯片的旁邊放置一個(gè)小電源(比如電容),，能讓電容到芯片Vcc管腳之間的走線長(zhǎng)度最小,，從而減少環(huán)路面積。這能盡量減少由導(dǎo)線電感引起的電壓降問(wèn)題,。由于回路環(huán)路減小了,，所以EMI也減小了。
直接把數(shù)字芯片U1連接到電源上意味著可能需要幾英寸的走線,?？梢詫⒕哂屑纳姼蠰2和R2的電容C1插入到電路中離芯片比較近的地方,，距離小于1英寸(圖1),。L3是C1 和 U1之間的導(dǎo)線電感,。L1 和 R1是從電源到電容之間導(dǎo)線的寄生參數(shù)。
這樣,，可將走線長(zhǎng)度減小到mil量級(jí),，將導(dǎo)線阻抗減小到可以應(yīng)用的程度。C2在這里非常重要,，它決定電源必須供給多少電流,。C2代表了U1的內(nèi)部負(fù)載和U1必須驅(qū)動(dòng)的外部負(fù)載。當(dāng)S1關(guān)閉時(shí),，這些負(fù)載連接到電源,，并馬上需要電流。
電感是電源和開(kāi)關(guān)之間阻抗的主要來(lái)源,。例如,，對(duì)于10mil寬度的走線，電阻,、電容和電感分別大約是0.02Ω/in,，2 pF/in和20nH/in。這些是用于PCB板的走線(微帶線和帶狀線)和導(dǎo)線的典型數(shù)據(jù),。當(dāng)頻率大約高于100 kHz時(shí),，感抗jΩl是主要阻抗。
因此,，增加C1具有兩個(gè)作用,。一是它將減少開(kāi)關(guān)期間，電源和芯片之間的導(dǎo)向電感,。這將保護(hù)V1(也就是到U1上的Vcc) 不會(huì)減小到低于進(jìn)行正確電路操作的所需電壓值,。另外，它可減小高頻電流流動(dòng)的環(huán)路面積以及相應(yīng)的EMI,。
因此,，電容將V1保持住,，但需要將V1保持多高呢,？這個(gè)問(wèn)題主要集中在器件的噪聲裕量,，例如最小的電壓噪聲裕量VNmmin，這個(gè)噪聲裕量可以存在,，并仍允許正確的電路運(yùn)行,。(這有點(diǎn)難以計(jì)算，因?yàn)閷?shí)際值依賴于半導(dǎo)體的噪聲裕量,，近似和電源電壓成正比,。)根據(jù)圖1，正確的工作運(yùn)行意味需要滿足下面條件：
VNmmin ≥ VPS ?D VZmax (1)
在該圖中,，VZmax完全落在L3上,。
電流I也需要考慮。簡(jiǎn)單講,，這是數(shù)字輸入所需要的電流,，設(shè)計(jì)工程師必須確保它的供應(yīng)。因?yàn)樗撬璧淖畲箅娏?，Imax,，因此電源和開(kāi)關(guān)之間的最大阻抗Zmax不會(huì)大于：
|Zmax|≥(VZmax/Imax) (2)
從電源到芯片的線路是5英寸長(zhǎng)的16-AWG導(dǎo)線和4 英寸長(zhǎng)、20mil寬的走線,，它將提供100nH的電感,。在某些頻率f上，感抗將大于所能容忍的Zmax,。這個(gè)頻率將通過(guò)變換電感的阻抗方程得到：
fmax = |Zmax|/2πL (3)
在這個(gè)頻率之上,，C1不能提供足夠的電壓來(lái)滿足器件所需的噪聲裕量，信息也無(wú)法成功地傳輸,。