討論濾波電容的位置與PDN阻抗的關(guān)系，提出“全局電容”與“局部電容”的概念。能看到當(dāng)電容呈現(xiàn)“全局特性”的時(shí)候，電容的位置其實(shí)沒(méi)有想象中那么重要。

 

上一個(gè)話題結(jié)束的時(shí)候，很多網(wǎng)友提出電容的位置問(wèn)題：“濾波電容有自己的濾波半徑，所以重點(diǎn)在于濾波電容正端與芯片電源引腳的距離”。這個(gè)互動(dòng)實(shí)在是配合的太好了，高速先生和你握手哈。

 

傳統(tǒng)的說(shuō)法，電容有其濾波半徑，低頻電容濾波半徑大，所以布局的時(shí)候可以放的稍微遠(yuǎn)一些。并且常規(guī)來(lái)說(shuō)，單純?yōu)V波作用的低頻電容不要扎堆布局，講究均勻擺放。而中高頻電容的濾波半徑較小，需要嚴(yán)格靠近芯片管腳放置，不能離得太遠(yuǎn)，要不然電容就“不起作用”了。

 

這個(gè)說(shuō)法，作為我們?yōu)V波電容布局的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，沒(méi)有問(wèn)題，依舊是正確的指導(dǎo)原則，這個(gè)不是我們要討論的設(shè)計(jì)誤區(qū)。不過(guò)開(kāi)場(chǎng)白里面說(shuō)了，高速先生，就是要追根究底，看看電容的濾波半徑到底是怎么回事？

 

首先，濾波半徑還是基于著名的四分之一波長(zhǎng)理論。（四分之一波長(zhǎng)理論在高速先生的各種文章會(huì)反復(fù)多次出現(xiàn)，為了方便大家理解，我們會(huì)專題討論各種四分之一波長(zhǎng)的問(wèn)題，這里就不再贅述，如果覺(jué)得理解這篇文章有問(wèn)題，可以單獨(dú)和高速先生進(jìn)行討論） 電容去耦半徑理論認(rèn)為，當(dāng)電容的位置距需要濾波的器件（管腳）的距離剛好是四分之一波長(zhǎng)的時(shí)候，電容的補(bǔ)償電流和信號(hào)噪聲電流相位剛好相差180度，濾波失效。所以為了保證電容的濾波作用，要求電容的位置距需要濾波的器件（管腳）的距離小于1/10的四分之一波長(zhǎng)，當(dāng)然，更嚴(yán)格的要求希望小于1/20的四分之一波長(zhǎng)。

 

大家看到這，估計(jì)有點(diǎn)煩躁了，有的人說(shuō)，這個(gè)我早就知道了。也有人說(shuō)，不是叫“看得懂的高速設(shè)計(jì)”嗎，你說(shuō)的這些我看不懂。那我們就來(lái)看看常見(jiàn)的濾波電容的濾波半徑。（這里我們?yōu)榱擞?jì)算的簡(jiǎn)化，假設(shè)電容的ESL為0.4NH，電容的安裝電感為1.5NH。具體的電容安裝電感問(wèn)題，在上一個(gè)專題的第四篇文章里面討論過(guò)了，大家可以參考）

看到這里，估計(jì)很多PCB設(shè)計(jì)師會(huì)大吃一驚？我們常用的0.1 uf電容，在考慮四十分之一波長(zhǎng)的時(shí)候，電容的有效去耦半徑居然有12英寸。就算嚴(yán)格點(diǎn)考慮兩百分之一波長(zhǎng)，也有將近2英寸的去耦半徑。我們?cè)跒V波電容布局的時(shí)候，這個(gè)去耦半徑還是問(wèn)題嗎？

 

前面的文章討論過(guò)，由于去耦電容只是電源供電網(wǎng)絡(luò)的一部分，同時(shí)高頻噪聲會(huì)更加依賴電源地平板電容及封裝內(nèi)的濾波電容甚至是Die電容來(lái)濾除。10Nf或者更小的1Nf電容，在電源濾波系統(tǒng)中的作用會(huì)越來(lái)越小。在大部分的設(shè)計(jì)中，0.1 uf電容就是板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，電源濾波系統(tǒng)中用到的最“高頻”的電容了。

 

借這個(gè)機(jī)會(huì)，再和大家討論下高速先生討論P(yáng)CB設(shè)計(jì)誤區(qū)的出發(fā)點(diǎn)：很多理論其實(shí)沒(méi)有錯(cuò)，只是我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候沒(méi)有真正知其所以然，所以設(shè)計(jì)中想當(dāng)然的“過(guò)設(shè)計(jì)”很多。這類“過(guò)設(shè)計(jì)”有時(shí)候并沒(méi)有壞處，只是當(dāng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)“惡劣”情況并需要“取舍”的時(shí)候，會(huì)造成一些困難。

 

比如電容的去耦半徑問(wèn)題，大家都有這個(gè)概念，然后都知道“小”電容（高頻電容）的去耦半徑很小，需要嚴(yán)格靠近芯片管腳。這個(gè)設(shè)計(jì)原則沒(méi)有錯(cuò)誤，只是當(dāng)數(shù)碼消費(fèi)類產(chǎn)品由于更小的面積，更低的成本以及結(jié)構(gòu)的要求（如厚度），需要我們把電容單面布局，放在和BGA的同一面的時(shí)候，很多人困惑了，電容離芯片的電源管腳這么遠(yuǎn)（有時(shí)還要考慮3mm或者5mm的返修間距，就更遠(yuǎn)了），電容還能起作用嗎？

 

由此引申的另一個(gè)問(wèn)題，和我們的這次的主題相關(guān)，先提前預(yù)告一下：我們做設(shè)計(jì)的時(shí)候，很喜歡把同種類的數(shù)字電源，對(duì)不同芯片進(jìn)行供電的時(shí)候，用磁珠隔離一下，希望能避免不同芯片之間同種電源的干擾。電容的作用范圍這么大，磁珠隔離了“想象中”的芯片間電源軌道的干擾的同時(shí)，會(huì)不會(huì)也阻礙了電容的作用呢？

 

本節(jié)的結(jié)尾，再給大家看一個(gè)圖片，也是關(guān)于電容的去耦半徑和作用范圍的。之前討論的諧振頻率的四分之一波長(zhǎng)，還是有局限性的，首先電容起作用的最高頻率不止是諧振頻率。其次，作用范圍還得考慮你設(shè)定的濾波效率。理論是復(fù)雜的，任重而道遠(yuǎn)，多前進(jìn)一些，真相就更清晰一點(diǎn)。

 

當(dāng)然，本節(jié)的結(jié)論還是繼續(xù)有效的，我們常用的0.1uf電容，濾波半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們想象的要大。