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如何正确选择放置旁路电容器位置

2017年12月28日 作者: 暂无评论 780+ 0

电容

根据电路中综合因素来看,旁路电容器除了具有减少脉冲电流,稳定电源电压能力之外,更重要的是它的电容量、电压值和正常工作的额定温度以及在电路板中放置(焊接)的位置。

通常在VCC和接地之间,电容起到作用是提供一个低阻抗的路径以便使交流电可以通过直流电路直接接地。电容同时也扮演一个储能装置,储存电荷用于稳定负载变化而引起的电压波动

尽管电容能够解决不少电路问题,但错误电容选型或不当的电容放置位置将会导致整个电路出现电能的损耗,干扰电流、或者使其处于不稳定的状态。

除了正常工作的额定值、型号以及电容的大小尺寸之外,工程师更应该密切注意的是旁路电容在电路中的放置位置

理想的电容器焊接位置

要综合各种因素才能找到电容放置的理想位置,这些因素包括整个开发板的布局设计、芯片或者其他零部件的功能,PCB板设计层数以及电路板的尺寸大小等等。

电路板设计者必须能够解决每个PCB板对电容器独特的要求, 电容器错误选型或放置在电路板位置不对往往会导致意想不到的的问题或是电路故障。 为确保整个板子能够实现最佳性能,以下是在电路板上放置旁路电容器的最佳做法。

放置旁路电容器的理想位置尽可能靠近元器件的电源引脚。这样做的目的是为了元器件在通断电的瞬间,避免电路中有大电流产生损坏元器件。同时让交流干扰电流直接通过一个低阻抗电路接地。如果把电容放置在离元器件电源引脚更远的位置,由于电感效应,额外的走线长度会产生额外的串联电感,从而降低旁路电容器的自感谐振频率和有用带宽。

在通常的实际应用中,电源和电路元件(如IC)之间总是有一定的距离。 理想情况下,IC和功率调节器之间的铜线路被视作为零阻抗的线路。 当然现实中是不太可能的,这条线路并非零阻抗,有阻值意味着从电源到芯片可用的电压和电流就会受此影响而有所变化。

电路板中铜迹线,就像现实中电线一样,带有一定的电阻值和电感效应。相比阻值,更应该被关注的是电路板中铜迹线的电感效应对真个电路板的影响,特别是它对电源功率传输有巨大的影响。 当给IC或有源器件通电瞬间,这个电感效应会消除或者减缓从电源发出大电流(尖峰电流)对元器件冲击。

理想情况下,所有的电路板的铜迹线在电流通过时应该是没有任何阻抗或者延迟的。 然而,在实际电路中,电感大小与电流的变化速率是相对的,这将阻碍了电流大小不能按照设备要求快速调高或者降低。 对通断电过程有延迟的影响,输出信号波形因此可能也会失真。

一般来说,随着电容器与元器件引脚之间的铜迹线长度越长产生电感效应就越明显,这将影响电容器的谐振频率,往往会导致窄带宽信号而无法抑制所有噪声。

所以最小化走线长度可减少电感,电阻和整体阻抗。

宽带频率——多个电容组合

不同种类的电容器能够抑制特定的频率范围内的干扰电流,但是对于在宽带频率范围内工作的器件来说,期望单个电容能够满足需求很显然是不现实的。最好的解决方案就是同时并行多个针对不同带宽值的电容器。 如大电容将为低频提供低阻抗接地线路,而较小电容将处理较高频率的干扰电流。

通过正确电容器选型和布局,设计人员所有频率的电流提供合适的低阻抗线路

当布局电容位置时,最好按照电容值得大小升序排列它们,从最靠近电源引脚电容值最小的电容开始,然后按照升序顺序添加较大的电容。

相比大电容较慢的充放电速度,小电容充放电速度更快因此对高频电流信号响应很快, 由于大电容在充放电速度上需要更多的时间,因此对高频电流信号无法及时的响应,不过在较低频率下则工作良好。 所以通常情形下在使用一大一小两种电容两个并行使用,如把0.1uF电容放置在电源引脚的旁边,紧随其后的便是电容值为10uF电容的放置。

由于电路板的铜迹线或多或都会产生阻抗和电感效应,尽可能的缩小铜迹线的长度,否则将增加干扰电流信号的整体阻抗。

下图中,电容器可以被放置在SMT元器件下面,不过是在整个电路板的另一面,这种直接放在元器件下面的做法,是为了尽量缩短铜迹线的长度减少电感和阻抗。

最好将电容器直接放在电路板的另一侧,相对电源、接地引脚以及芯片等器件来说。

电容

把旁路电容器相对元器件放置在电路板另一侧,不仅释放电路板多余的位置留给更多让板子过孔的空间。而且由于电容可以直接连接到元器件的接地引脚,这也尽可能缩短了接地线路的长度。

对于有多个电源引脚的电子器件,每个电源引脚至少要有一个旁路电容与之相接。尽管这个电子器件只需一到两个电容器就可以工作,但最好为每个电源引脚添加至少一个旁路电容,并尽可能缩短两者之间的距离。 当电子器件在不同功率输出快速切换时,这种放置旁路电容器做法可以保持整个电子装置的运行稳定。

如果器件工作频率很宽,建议按升序原则添加多个合适的并行电容器。

接地

设计人员应设计出最近的接地线路或引脚线路,以尽量减小电感,并使交流干扰信号更容易通过接地而导出。 要达到此目的,有效方法是通过缩短的走线长度或过孔来降低旁路电容接地一端的阻抗。

总结

  • 电容放置的位置尽量靠近电子器件的电源引脚,这将减少两者之间线路的电感效应。
  • 当器件的电源引脚需要多个并行电容时,请按照升序(电容值的大小)依次焊接电容,最小电容最靠近器件的电源引脚
  • 相对芯片尽可能将电容器放置其下面,即是电路板的另一侧。
  • 当线路的距离足够短时,可以将电容的另一端直接连接到器件的接地引脚。 若不是,要用最短的走线方式或通过通孔将其直接接地。

结论

旁路电容的正确选型和使用是减少电子电路中不必要的干扰信号的最有效方法。 在电源和接地引脚之间连接正确型号的电容可为交流干扰电流创建一条低阻抗路径导出接地。 它还通过充放电功能来防止电路电压骤降,抑制脉冲电流的产生,确保电路中没有干扰电流的产生。

除了正确选择电容器型号之外,电容器在电路中位置对确保旁路正常工作是至关重要。 最好的做法是将电容尽可能靠近器件的电源引脚。

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