寫在前面：

通過控制MOS上、下管的導通與關閉，讓電容重復的工作于充電、放電狀態，觀察電容瞬間放電時的最大電流值。通過仿真軟件，研究不同形式的大面積鋪銅(PADS的術語：pour)所帶來的電容放電的最大電流值。該電路的目的和意義在于研究并驗證在同一種MOS管和電容值下(不考慮器件彼此細微的參數差異所引起的結果)，僅因PCB Layout的差異而帶來的不同的放電電流值。由仿真軟件計算的結果來提供改進方向，并實物制造，最終觀察結果。

該結果同時也闡明了數字IC工作時所產生的噪音，是如何傳遞并影響到其它器件，是如何導致電子產品輻射超標(IEC61000及GB/T 17626標準)。

（圖1）基本電路原理圖 （圖2）對電容充電 （圖3）電容放電

圖4為電容充電、放電的理論和放電電流的計算公式；

（圖4）

歐姆定律I=U/R，適合一切電路，無論暫態還是穩態。故在電容端電壓一定的情況下，想要提升放電電流，必須降低環路總電阻。環路總電阻包括：MOS管的導通電阻、電容的ESR，PCB的銅箔走線電阻。MOS管和電容是固定不變的。因此要想獲得更大的瞬間放電電流，毫無疑問，要想辦法如何去降低整個PCB銅箔走線的電阻。增加銅箔的厚度，固然可以降低電阻，但那要極大的增加成本，不是本文要研究的。本文研究的是靠仿真軟件來優化電容放電時電流的走勢來達到降低電阻值。實物制造及測試的結果也證實如此。

對該電容大電流放電走線的研究，帶來了一個意外的收獲：讓我們更清晰的看到了，PCB上的器件噪音是如何產生的，而這噪音，不單單會干擾到同一pcb上的其它器件①，還是引起了電路板輻射的關鍵因素。(圖5示意如何制作一個4G/5G全向pcb天線；)

（圖5）

準備工作：電流傳感器(探頭)

為了能在示波器上準確、實時的顯示電流變化的瞬時曲線，需要一個電流探頭，當然可以用示波器原配件。考慮到價格因素，我們選用一個霍爾電流傳感器，來搭建成測試平臺。

不同的廠家、不同器件，不同的設計思路，會有不同的響應時間和精度，要從現有的開環、閉環的霍爾電流傳感器中挑選出符合以下要求的器件：響應時間極短(<1μs @ di/dt > 50A/μs，精度優于0.2%)。以下幾款芯森電子的閉環霍爾和開環霍爾傳感器均符合要求，分別展示了其響應時間和外觀。

下列圖中，電流發生器的產生峰值電流約為360A，0à最大值的上升時間約為7μs。

為方便測量，最終選擇了一款高精度、閉環、電流輸出式的霍爾電流傳感器件，型號為：CM4A H00，電流測量范圍是1000A。再來驗證一下，使用CM4A對電容充電時候的原邊/副邊的對應波形，見圖14；

（圖14）

黃線：原邊電阻0.01R的無感電阻兩端波形。

藍線：CM4A輸出的波形，負載為47R插件電阻。

因為電源內阻和容量原因，無法提供很大的輸出電流，所以是一個振蕩的曲線；從波形來看，匹配的很好，這說明，采用CM4A來觀察電容放電的波形，其數據可信。

如何獲得更大的放電電流

為了確保測量的準確性，基于所選電容的容值(100u)和ESR值，估算出電容充電到最高值的時間。計算公式表明是5*RC，（公式中，R=充電回路的總電阻，C=電容的容值），大約為0.5ms。受制于電源等因數，結合不斷測試，最終確定為：每次對電容的充電時間為保證為至少80ms，確保各種電容(<2200u)都能完全充足。

分析pcb layout對電容放電的影響，這需要通過對原始的pcb文件做電磁仿真的電流云圖去實現，最終是找到了在同一種MOS，同一個品牌和容值下，同一個電容充電電壓下和溫度條件下，有一種最大放電電流。

該設計一共進行了三次，實物制造了2次，用于實物評估，第三版仍在不斷的仿真改進。

現在分別展現第三版、第二版、第一版本的pcb layout及對pcb原始文件電流密度的仿真結果。

圖15-16展示了第三版，改進中，正在不斷的仿真<-->改pcb layout。

（圖15）

第三版 Max=3.807x105A/m2（圖16）

圖17-18展示了第二版：

（圖17）

第二版Max= 3.426x105A/m2（圖18）

第二版電容電壓為12V時候，100u/100v的固態電容最大放電電流可以達到87A。

圖19-20展示了第一版：

（圖19）

電流密度 MAX=1.222X1010A/M2（圖20）

第一版的電容電壓為12V時候，100u/100v的固態電容最大放電電流可以到104A

實際測試來看，同一種IRF3205的MOS，同為100u/100v，固態電容，從分析電流密度圖來看，第一版應該要比第二版要好，實際測試情況也是如此（見下圖中，MAX: 431mV / 506mV），即：7μs達到的最大值，第一版要好過第二版，計算來看，大約是好506/431=1.17倍。下述的測量，基于CM4A H00器件和RIGOL 100Mhz的示波器，電容電壓為12V；

現在，基于第二版的電路，研究幾種不同的電容放電波形，分別是固態電容的100u/25v、鋁電解電容的100u/25v、2.2u/25v X5R 0805、4.7u/100v的CBB電容，及固態電容的100u/25v+2.2u/25v X5R 0805并聯，共5種波形。

這種測試的現實意義在于，觀察用于耦合為目地的電容，如何應用為最優。

1、下圖23，鋁電解電容100u/25v：4μs到最大值，拖尾很長

（圖23）

2、下圖24，固態電容100u/25v：約6.5μs到最大；

（圖24）

3、下圖25，4.7u/100v CBB：

（圖25）

4、下圖26，2.2u/25v X5R 0805：以近似一條直線的方式到最大，且有振蕩現象；

（圖26）

5、下圖27，固態電容的100u/25v+2.2u/25v X5R 0805：可見，到最大值的時間稍微改變，約7μs，但是最大值提高了774mV-->850mV，提高了約10%。

（圖27）

從上述幾張測試圖能夠看出，固態電容的放電效果非常好。2.2μF X5R電容的放電表現也可以，不過鑒于其容值較小，難以與固態電容形成顯著的對比效果，且目前手頭沒有22μF的MLCC電容用于進一步測試對比。

當然，固態電容加MLCC是可以提高放電電流，但提升幅度有限；并且，從測試曲線分析可知，并聯電容會使系統到達電流最大值的時間延長約0.5μs，綜合考量，對于MCU/GPU等芯片，在其Vcc - Gnd之間放置耦合電容時，采用單一電容更為適宜。