去耦電容PCB設計和布局

今天給大家分享的是：

去耦電容，去耦電容PCB設計和布局

一、去耦電容

去耦電容用于濾除輸出信號的干擾，通常用于不需要交流電的放大器電路中，用來消除自激，使放大器溫度工作。

在只有一根導體的電路中，當共享電源時，如果有設備需要提供輸出，則導體的電壓同時被拉低，從而產(chǎn)生耦合到共享電路中的噪聲。

在嘈雜的環(huán)境中，電磁波會在導體中感應出電壓信號，影響回路中的元器件，而在數(shù)字電路中國，由于關鍵位置的干擾，器件容易產(chǎn)生錯誤信號，從而引起錯誤的動作。

去耦電容可以減少上述情況，去耦電容一般放置在元器件的電源處，以減少布線阻抗對濾波效果的影響，大多數(shù)去耦電容都是陶瓷電容，其值的電壓信號最快的上升和下降速度決定。

在IC旁邊使用去耦電容的典型應用

二、去耦電容的作用

1、去除高頻

去耦電容主要用于去除通過電磁輻射進入設備的射頻信號等高頻干擾。

芯片附近的電容也儲能作用。假設主電源是水庫，我們樓里的每戶人家都需要供水，水不是直接從水庫里面來的，因為太遠了，要很久。實際上的水都是來自附近儲存的水的分塔，可以起到一個緩沖作用。

從微觀上看，高頻器件工作時，其電流是不連續(xù)的，頻率很高，器件VCC與主電源之間有一定的距離。

在高頻下，阻抗Z為：

阻抗

而且線路的電感也會很大，不能及時給設備供電。去耦電容可以彌補這一點不足，這也就是為什么PCB板上高頻器件的VCC引腳上放置很多小電容的原因之一。

2、為有源器件提供直流電源

當有源器件打開和關閉時，會產(chǎn)生高頻噪聲并沿電源線傳輸。去耦電容的主要作用是為有源器件提供本地直流電源，以減少PCB板上開關噪聲的傳播，并將噪聲引至地。

三、去耦電容計算

去耦的最初目的：無論法規(guī)和電流波動的要求如何，都將電壓限制保持在規(guī)定的允許誤差內(nèi)。

1、計算方式一

IC所需要的去耦電容的電容值C可由以下公式計算：

去耦電容容值

⊿U 為實際電源母線電壓的允許降低量（V）；

I 為最大所需電流(A)；

⊿t 是所需電容的持續(xù)時間。

2、計算方法二

建議去耦電容或者值大于等效開路電容的1/m倍。m 是 IC 電源引腳上允許的電源總線電壓變化的最大百分比，通常會在 IC 數(shù)據(jù)表中給出。下面為等效開路電容：

等效開路電容

P：IC耗散的總瓦數(shù)

U：IC的最大直流供電電壓

f：IC的時鐘頻率

確定等效開路電容后，將其乘以1/m即可得出 IC 所需的總去耦電容或值。然后將結果除以連接到同一電源總線的電源引腳總數(shù)，最后得到連接到每條電源總線的所有電源引腳附近的電容值。

三、PCB去耦電容的選擇與布局

去耦電容并不是越多越好，要注意濾波效果。在設計PCB時，在電源輸入端跨接一個10uf-100uf的電解電容，在每個集成芯片的電源和地之間配置一個0.01μF的陶瓷電容。

一方面， 去耦電容提供和吸收集成電路開合時的瞬時充放電能量，另一方面，繞過了設備的高頻噪聲。

1、去耦電容的分類

去耦電容對集成芯片進行補償或者PCB工作電壓出現(xiàn)下降時，可以起到儲能作用?？梢苑譃檎w型，局部型和板間型三種。

1）整體去耦電容

整體去耦電容工作在低頻（<1MHz）范圍，為整個PCB提供一個電流源，以補償PCB在工作過程中產(chǎn)生的噪聲電流ΔI，保證工作電源的穩(wěn)定。整體去耦電容是PCB上所有負載電容總和50倍到100倍。

一般來說，整體去耦電容應該靠近PCB的電源延長線和地線放置，印刷制線密度很高。為PCB上放置關鍵印刷線路提供了空間，而不會減少低頻去耦。

2）局部去耦

局部去耦有2個原因：1是因為功能方面，2是因為EMC方面，具體的如下所示：

局部去耦原因

局部去耦電容安裝在集成芯片的電源端和地端之間，并盡可能靠近集成芯片。

3）板間去耦電容S

板間去耦電容指電源層和地層之間的電容，是高頻去耦電流的主要來源，可以通過增加電源層和接地層之間的面積來增加平面之間的電容。

在PCB中，一些平面可以分布到電源平面，移除這些接地平面并用電源隔離區(qū)域替換它們會增加平面之間的電容。

2、PCB去耦電容值

在直流電源電路中，負載的變化會產(chǎn)生電源噪聲，例如在數(shù)字電路中，當電路從一種狀態(tài)轉換到另一種狀態(tài)時，電源線上會產(chǎn)生很大的峰值電流，形成瞬態(tài)噪聲電壓。

配置去耦電容可以抑制負載變化引起的噪聲，在PCB可靠性設計經(jīng)常會用這個方法，一個好的高頻去耦電容可以去除高達1GHz的高頻成分。陶瓷貼片電容或者多層陶瓷電容的高頻特性較好。

在設計PCB時，必須要在每塊集成電路的電源和地之間添加一個去耦電容。去耦電容有2個作用，一方面是集成電路的儲能電容，提供和吸收集成電路開、關時的瞬時充放電能量。另一方面，去耦電容繞過了設備的高頻噪聲。

PCB去耦電容

去耦電容的配置原則如下：

1）電源配置濾波電容

電源輸入端跨接一個 10μF ~ 100μF 的電解電容，如果PCB的位置允許的話，這個電解電容的抗干擾效果會更好。

并聯(lián)諧振頻率在2020MHz以上的1μF和10μF電容，去除高頻噪聲效果較好。在電源進入PCB的區(qū)域應用，應用電容通常是有利的，而且通常電池供電系統(tǒng)也是需要這種電容。

2）芯片配置去耦電容

每個集成電路芯片配置一個0.01μF陶瓷電容。數(shù)字電容中典型的去耦電容為 0.1/μF。去耦電容具有 5nH的分布電感 ，其并聯(lián)諧振頻率在7MHz左右，意味著對10MHz以下的噪聲有很好的去耦效果，對40MHz以上的噪聲影響不大。

如果PCB的空間太小，可以每4～10個芯片加一個1μF～10μF的鉭電解電容。這種電容的高頻阻抗特別小，在500kHz-20MHz范圍內(nèi)小于1μF-10μF，漏電流很?。?.5μA以下）。

去耦電容的選值并沒有那么嚴格，可以用以下公式來計算：

去耦電容

對于單片機組成的系統(tǒng)，電容可以在在0.1μF - 0.01μF之間。

3）充放電電容S

每10個左右的集成電路需要加一個容量為10uf的充放電電容，通常使用的大電容是電解電容。但是當濾波頻率較高時，電解電容會卷起2層薄膜，卷起的結構在高頻時表現(xiàn)為電感。在這種情況下，使用鉭電容或者聚碳酸酯電容。

四、PCB去耦電容布局的影響因素

1、電容引線的影響

在使用電容抑制電磁干擾和濾波時，最容易被忽視的問題是電容引線濾波效果的影響。

電容的容抗與頻率成反比，基于這一特點，在信號線和地線之間并聯(lián)電容，起到旁路高頻噪聲的作用，然后在實際電路中，有很多人發(fā)現(xiàn)這種方法并沒有達到預期的濾除噪聲和效果。原因之一就是忽略了電容引線對旁別效應的影響。

實際的電容式由等效串聯(lián)電感（ESL）、電容和等效串聯(lián)電容（ESR）組成的串聯(lián)網(wǎng)絡。

理想電容的阻抗隨著頻率的升高而降低，實際電容的阻抗特性如下圖所示：

實際電容的阻抗特性

當頻率較低時，表現(xiàn)出電容特性，即阻抗隨頻率升高而降低，在某一點發(fā)生諧振，電容的阻抗等于ESR。在諧振動以上，由于ESL的作用，電容的阻抗隨頻率的升高而增大，使電容表現(xiàn)出電感的阻抗特性。隨著電容阻抗的增加，對高頻噪聲的旁路作用減弱甚至消失。

因此，在布置去耦電容時，要注意電容的分布參數(shù)對濾波的影響。

2、電容引線的作用

電容的諧振頻率由ESL和C共同決定，電容或者電感較大，諧振頻率越低，意味著，電容的高頻濾波效果越差。

除了電容的種類，引線的長度也是ESL非常重要的一個參數(shù)。引線越長，電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實際設計中，電容的引線應該盡可能短。電容的正確安裝方法和不正確的安裝方法如下圖所示：

濾波電容的安裝方法

根據(jù)LC電容串聯(lián)諧振原理，諧振點不僅與電感有關，還與電容值有關，電容越大，諧振點越低。

有些人會認為電容越大，濾波效果也會越好，這是一種誤解，雖然電容越大，低頻干擾的旁路效果越好，但由于電容諧振頻率較低，隨著頻率的升高阻抗開始增大，高頻噪聲的旁路效果變差，表中給出了不同容量陶瓷電容的自諧振頻率，電容的引線長度為1.6mm。

雖然從濾波高頻噪聲的角度來看，電容的諧振是不可取的，但也有好的一方面，當待濾除噪聲的頻率確定后，可調(diào)節(jié)電容使諧振點剛好落在干擾頻率。

3、溫度的影響

溫度對電容的特性也有很大的影響。由于電容中的介質參數(shù)受溫度變化的影響，因此電容的容值值也隨溫度變化。不同的介質有不同的溫度變化規(guī)律，有的電容在溫度升高時電容量會下降70%以上。

常用的濾波電容是陶瓷電容。陶瓷電容分為超穩(wěn)型、穩(wěn)定型和通用型三種。不同電介質電容的溫度特性如圖所示。

不同介質電容的溫度特性

可以看出， COG電容的電容量幾乎不隨溫度變化。X7R電容在額定工作溫度范圍內(nèi)的容量變化在12%以內(nèi)， YSV電容在額定工作溫度范圍內(nèi) 的容量 變化在70%以上。

溫度特性都是我們應該注意的，否則濾波器在高溫或者低溫下的性能會發(fā)生變化，從而導致電磁兼容問題。

COG介質電容雖然受溫度影響較小，特性穩(wěn)定，但其介電常數(shù)較低，一般為10～100，所以體積小時，電容量也會小。

XTR 介質電容的介電常數(shù)要高得多，從 2000 到 4000，因此更小的體積可以產(chǎn)生更大的電容

YSV介質電容的介電常數(shù)最高，為5000-25000，通常用于需要體積較小、電容量較大的場合。

在選擇電容時，很多人單方面追求電容的體積小。這種電容雖然介電常數(shù)高，但溫度穩(wěn)定性很差，會導致器件的溫度特性較差。這是我們在選擇電容時要特別注意的，特別是軍用裝備。

4、PCB電壓的影響

電容的容量不僅隨溫度而變化，而且隨工作電壓而變化。在實際項目中必須注意這一點。

下圖顯示了不同介質材料的電容的電壓特性。圖中，在額定電壓下，X7R電容的容量減少到原來的70%，YSV電容的容量減少到原來的30%。因此，在選擇電容時，電壓和電容值要留有余量，否則濾波器在額定工作電壓下達不到預期效果。

當同時考慮溫度和電壓的影響時，電容的變化如圖所示。

電容器的電壓特性

因此，我們在放置濾波電容時必須充分考慮電容的濾波作用。

電容的溫度/電壓特性

五、 PCB去耦電容的合理放置

1、原理圖中一般只畫出幾個電源去耦電容，但并沒有標明應該接在哪里。實際上，這些電容是為開關器件（門電路）或其他需要去耦的元器件而設置的，因此應盡可能靠近這些元器件放置。當電源去耦電容布置得當，接地點問題就不那么明顯了。

2、對于抗噪聲能力弱、掉電時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲器件，應在芯片電源線（VCC）和地（GND）之間直接接去耦電容。

3、去耦電容的引線不宜過長。引線越短，去耦效果越好。特別是高頻旁路電容不能有引線。

4、去耦的量并不是越多越好，而是要注意濾波的效果，根據(jù)電路板和器件的時間來選擇電容的數(shù)量和大小。

5、陶瓷電容和電解電容電容精度差，分布電感大，對去耦要求較高時不采用。相反，應使用鉭電容器或聚酯電容。

6、在芯片和去耦電容較多的地方，可加裝充放電電容，以處理電路開關工作時產(chǎn)生的電荷。

審核編輯：湯梓紅