滤波电容在EMC防护中的应用：为什么PCB布局中常并联0.1μF与0..01μF电容？

为什么总是在电路里摆两个0.1uF和0.01uF的电容？这背后其实涉及了电磁兼容（EMC）防护中关于旁路与去耦的核心知识。

旁路和去耦

在电路设计中，旁路电容（Bypass Capacitor）和去耦电容（Decoupling Capacitor）是经常被提及的两个概念，但它们的区别与作用却常常让人混淆。

要理解这两个词，我们不妨回到它们的英文原意。

Bypass在英文中有“绕行”、“抄近路”的意思，这完美地描述了它在电路中的功能，如下图所示。

而Coupling是“耦合”的意思，指的是一个系统（A）中的信号变化对另一个系统（B）产生了影响。Decoupling自然就是“解耦”，即减弱或消除这种不希望的影响。

电路中的旁路和去耦

在典型的电源供电电路中，一个直流电源（Power）为芯片（IC）供电，工程师通常会在电源路径上并联两个电容，具体布局如下图所示。

旁路

如果电源（Power）输入端受到了来自外部的干扰（通常是高频噪声），这些干扰可能会直接传导到IC，导致其工作异常。此时，在靠近电源输入端放置的电容C1就发挥了“旁路”作用。

由于电容对直流电呈高阻态（开路），但对交流电（尤其是高频信号）呈低阻态。高频干扰信号因此会“抄近路”，优先通过低阻抗的电容C1流回地（GND），而不是继续前行去骚扰IC。这里的C1就是典型的旁路电容。

去耦

另一方面，集成电路（IC）本身在工作时，尤其是启动瞬间或内部状态高速切换时，会产生快速的电流需求波动。这种瞬间的大电流如果全部从远处的电源汲取，会在供电线路的寄生电感上产生压降，导致IC供电引脚（VCC）的电压出现波动，进而可能影响自身或其他器件的稳定工作。

在靠近IC的VCC引脚处放置的电容C2，这时就扮演了“去耦”或“退耦”的角色。它如同一个微型本地储能池，在IC需要瞬时大电流时快速放电进行补充，在IC电流需求变小时吸收多余能量，从而将IC产生的电流波动限制在局部，阻止其回灌到主电源路径上，实现了IC与电源之间的“解耦”。这里的C2就是去耦电容。

为什么要用两个电容？

现在回到最初的问题：为什么常见的设计是并联一个0.1uF（100nF）和一个0.01uF（10nF）的电容？一个容值更大的电容不是滤波效果更好吗？

我们先看电容的阻抗公式：

从容抗（Xc）公式 Xc=1/ωC=1/2πfC 来看，确实，电容值C越大，对于相同频率f的信号，其容抗越小，即滤波（旁路）效果越好。那为什么还要多此一举加一个小电容呢？

关键在于电容并非理想器件。实际的贴片电容具有等效串联电感（ESL），其总阻抗会随频率变化。在低频段，它主要呈现容性；当频率达到其自谐振频率点时，阻抗最小；超过自谐振频率后，由于ESL起主导作用，阻抗反而会随频率升高而增加，呈现感性。

不同封装、不同容值的电容，其自谐振频率点不同。通常，容值越小的电容，其自谐振频率越高。将一个大电容（如0.1uF）和一个小电容（如0.01uF）并联使用，相当于拓宽了有效的低阻抗频率范围。大电容负责滤除较低频率的噪声，而小电容则利用其更高的自谐振频率，为高频噪声提供低阻抗通路。两者互补，能在更宽的频谱范围内提供有效的噪声抑制，这也是应对复杂电磁环境、提升系统EMC性能的一种实用设计。

希望这篇关于滤波电容的解析能对你有所帮助。更多关于计算机底层原理与硬件设计的内容，欢迎在云栈社区交流讨论。