在業(yè)界流行的PCB設(shè)計(jì)方法中，電源和地都采用獨(dú)立的平面實(shí)現(xiàn)，而且它們都是面對(duì)面放置的。在理想情況下，兩個(gè)平面之間構(gòu)成一個(gè)純粹的電容，平面之間對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)是短路的，平面之間的交流阻抗為0，任何流經(jīng)兩個(gè)平面之間的瞬態(tài)電流都不會(huì)給電源地平面帶來(lái)噪聲波動(dòng)。

但事實(shí)上卻不是這么簡(jiǎn)單。一對(duì)平面在低頻下可以作為一個(gè)電容器來(lái)看，而在高頻下其模型就復(fù)雜很多，看起來(lái)就像一個(gè)二維的傳輸線，如下圖：

電源和地平面簡(jiǎn)化模型

與傳輸線特性一樣，電源噪聲波動(dòng)在傳到電源地平面的邊緣時(shí)，同樣將發(fā)生反射的現(xiàn)象，反射回來(lái)的噪聲可能會(huì)在平面內(nèi)部發(fā)生諧振。

下面將通過(guò)一個(gè)典型的電源平面和去耦電容的效果來(lái)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)低阻抗的電源分配系統(tǒng)，如下圖所示，由兩個(gè)平面組成的電源和地平面對(duì)(pair)，在平面的B點(diǎn)處是一個(gè)電壓調(diào)整器，給單板提供電源，在A點(diǎn)處是一個(gè)觀察點(diǎn)，用來(lái)觀察頻率響應(yīng)特性。以下說(shuō)明的頻率響應(yīng)特性曲線都是基于這個(gè)假想點(diǎn)得到的。

一個(gè)電源平面

考慮一個(gè)特殊的電源地平面，其在40MHz以下阻抗與平面的電容值基本吻合，而在40MHz以上，平面內(nèi)部的固有諧振占據(jù)了主要因素，如下圖：

一個(gè)電源地平面的頻率響應(yīng)曲線

如果給該系統(tǒng)加入一個(gè)電壓調(diào)整器，由于電壓調(diào)整器存在串聯(lián)的電感，在較低頻率處，電壓調(diào)整器串聯(lián)電感與平面的固有電容可能會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振尖峰，如下圖：

加入電壓調(diào)整器的電源地平面的頻率響應(yīng)

顯然，這樣的頻率響應(yīng)無(wú)法使我們滿(mǎn)意，那么接下來(lái)，我們通過(guò)增加去耦電容，嘗試去改善電源系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。

首先考慮分離電容器的特性。實(shí)際上，電容器并不是一個(gè)純粹的電容，由于各種寄生效應(yīng)，分離電容器可以簡(jiǎn)單表示為一個(gè)電容、電感和電阻串聯(lián)的結(jié)果，如下圖：

電容器的等效模型

這樣的電容器的等效模型，其頻率響應(yīng)曲線中，在某個(gè)特定的頻率下，ESL和C的阻抗大小相等，符號(hào)相反，于是兩者發(fā)生諧振，我們稱(chēng)這個(gè)頻率為諧振頻率。在上圖所示中，兩條斜線的交叉點(diǎn)即為電容的諧振頻率點(diǎn)。電容器在諧振頻率所表現(xiàn)出的阻抗僅僅是ESR的阻抗，如上圖頻率響應(yīng)曲線的最低阻抗點(diǎn)。而在這個(gè)頻率以下，電容器表現(xiàn)出C的特性，在這個(gè)頻率以上，電容器表現(xiàn)出ESL特性。

不同的電容器具有不同的ESR、ESL和C參數(shù)，通常容值較小的電容具有更高的諧振頻率。如果多個(gè)容值不同的電容器同時(shí)存在于PCB中，也就是并聯(lián)在一起，這些電容器之間很有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振點(diǎn)的阻抗相當(dāng)高。這是選擇多個(gè)電容器時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免的，如下圖所示：

電容之間發(fā)生并聯(lián)諧振

不同電容值的頻率響應(yīng)曲線示意圖。如下：

分立電容器的頻率響應(yīng)

選擇一定數(shù)量的容值電容組合在一起，加到電源和地平面之間。一般來(lái)說(shuō)，大電容的數(shù)量較少，小電容的數(shù)量要多一些。例如采用1個(gè)2.2uF，2個(gè)0.47uF···，4個(gè)33nF，8個(gè)10nF，16個(gè)2.7nF，24個(gè)1nF的。我們所要達(dá)到的目的是整個(gè)電源分配系統(tǒng)在較寬的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗，也就是說(shuō)，在這些頻率范圍內(nèi)的噪聲，都只會(huì)在整個(gè)電源分配系統(tǒng)中引起小幅度的波動(dòng)，不會(huì)造成大的影響。

下圖所示加上這些去耦電容后，電源平面可能的頻率響應(yīng)結(jié)果。

去耦電容的作用

從上圖可以看出一般的規(guī)律。

1、? 去耦電容在低頻范圍內(nèi)有效的降低了系統(tǒng)阻抗。

2、? 有效利用去耦電容，可以把平面的固有諧振頻率點(diǎn)移到幾百兆赫茲以上。

3、? 在非常高的頻率范圍 ，如1GHz左右，分立的電容起的作用不太明顯，平面本身的固有諧振占主導(dǎo)地位。

要說(shuō)明的是，這里使用的電容組合并不是這個(gè)系統(tǒng)中最優(yōu)化的，而且在別的系統(tǒng)中效果不一定一樣。我們只是為了通過(guò)改變?nèi)ヱ铍娙莸慕M合來(lái)分析其可能對(duì)電源分配系統(tǒng)造成的影響。實(shí)際上，在具體的實(shí)例中，電源地平面和去耦電容所帶來(lái)的效果不盡相同，不能生搬硬套。

去耦電容的影響并不能定量的描述出來(lái)，簡(jiǎn)單系統(tǒng)可以通過(guò)直觀的概念推論出來(lái)。而在負(fù)載的系統(tǒng)中，特別是多層電源和地，非常多的去耦電容，必須通過(guò)仿真和測(cè)試來(lái)確定去耦電容的實(shí)際效果。
作者：杭州卿萃科技ALIFPGA