电源去耦电容怎么摆？ 放错位置等于白加

说起来，电路板上最常见的元件是什么？电阻、电容、三极管。要说谁的用量最大，电容绝对排第一——随便一块板子，少则几十个，多则几百个。

这里面有一大半都是去耦电容。

但我发现一个特别有意思的现象：很多工程师画原理图的时候，对去耦电容的位置还挺讲究的，结果一布局布线，电容被扔到十万八千里之外。

这块把我坑惨了，今天就聊聊去耦电容到底该怎么摆。

芯片工作的时候，电流不是恒定的，是脉冲式的——就像我们吃饭一样，一下一下的。芯片说我要吃肉，电源得马上送过来；芯片说我不吃了，电源又得停住。

问题来了：电源到芯片之间是有距离的，PCB走线是有电感的。这个电感就像一根弹性软管，你让水流过去，它会膨胀收缩，导致电压波动。

去耦电容的作用就是充当一个蓄水池，在芯片需要电流的时候快速释放，把电压波动压下去。按我的经验，一个0.1uF的电容可以在几纳秒内提供数安培的瞬态电流。

但问题来了：你以为加个电容就完事了？No，位置不对的话，电容就是个摆设。

我见过最离谱的设计是这样的：IC在板子中间，电容全挤在板子边缘，两者的距离能有两三厘米。走线又细又长，过孔还打在走线两端。

这样做有什么问题？

首先，走线电感变大了。一段10mm长、0.2mm宽的走线，电感大概有10nH。而一个0.1uF电容本身的寄生电感只有1-2nH。你那10nH的走线直接把电容的去耦能力砍了一大半。

其次，过孔位置不对。地和电源的过孔如果离电容很远，就形成了一个大的回路面积，这个回路会像天线一样辐射出去 EMC问题。

按我的经验，很多电源噪声问题，示波器测出来波形很烂，查到最后都是电容位置不对。

图1：电容摆放从Bad到Best的演变

说起来也简单，就四个字：近、短、宽、对。

近：电容尽量靠近IC电源引脚。我一般要求走线长度不超过3mm，能1mm以内最好。芯片的电源引脚在哪个位置，电容就应该在哪个位置。

短：走线要短。电源走线和地走线都要短。有人说我走线短了走不通，其实可以加宽走线来缩短距离——走线变宽1倍，寄生电感就能降低一半。

宽：走线要宽。窄走线电感大，宽走线电感小。同样面积的铜皮，扇形走出去比细线走出去效果好很多。

对：过孔位置要对。地和电源的过孔要尽量靠近电容两端，最好是对称放置。如果用盲孔或背钻，效果会更好。

有些芯片需要多颗去耦电容，常见的是0.1uF加10uF组合，或者0.1uF加1uF加10uF。

这时候有个很重要的原则：小容值的最靠近引脚，大容值的在外面。

为什么？因为小电容的谐振频率高，主要负责抑制高频噪声。高频电流走最短的路径，所以小电容必须顶在引脚上。

从引脚往外数，顺序是：0.01uF → 0.1uF → 1uF → 10uF

大电容的谐振频率低，负责低频滤波，它离引脚远一点问题不大。但注意，这个远也是相对的，一般不超过10mm。

图2：电容容值从大到小依次排列，小的靠近IC引脚

BGA封装是很多工程师的噩梦。芯片下面密密麻麻全是焊球，根本看不到引脚在哪里，电容往哪放？

说实话，BGA下面的去耦电容设计确实复杂，我当年也是踩了不少坑才摸出点门道。

常规做法有三种：

第一种：背面放置。在BGA的正下方、PCB背面放置去耦电容。好处是离芯片近，走线短。坏处是要用盲孔或埋孔，增加了工艺难度和成本。

第二种：相邻层放置。在BGA下面相邻的PCB层，用微带线或者带状线连接到电容。走线要短、过孔要密。

第三种：扇出区域放置。在BGA焊球扇出的时候，把电容放在Fanout区域，利用电源和地平面来供电。这种方式适合引脚间距较大的BGA。

高端一点的板子，还会做专门的电源完整性仿真，用矢网分析仪测PDN阻抗，确保在芯片的工作频率范围内，电源阻抗足够低。

说完信号去耦，再聊个更常见的——DCDC转换器的输入输出电容。

输入电容放在输入引脚旁边，这个电容的作用是隔离输入电源和开关节点，给开关纹波提供回流路径。这颗电容必须紧挨着芯片的VIN引脚，走线要短、要粗、要有多打过孔。

输出电容放在输出引脚旁边，道理一样。SW节点是高频开关节点，电容离它越近，纹波抑制效果越好。

我之前遇到过一个案子，DCDC输出纹波总是超标，测来测去，最后发现是输出电容被挪到了板边，距离芯片足足有8mm。换了个位置，纹波直接降了一半。

说白了，电容的价值在于位置，不在于数量。你放10颗电容在板边，不如放1颗紧靠引脚。

去耦电容摆放的核心就几点：

第一，位置第一。电容离IC越近越好，不要超过3mm。

第二，走线要短要宽。能宽不要窄，能短不要长。

第三，过孔要近。地和电源的过孔尽量靠近电容。

第四，小电容在内、大电容在外。多颗电容按谐振频率从高到低依次排列。

记住，放错位置的电容，等于白加。这不是玄学，是物理。

最后说一句，做硬件设计，细节决定成败。电容摆放这件小事做好了，电源噪声能降一大截，EMC问题也能少很多。希望今天的分享对你有帮助。

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