微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 研发问答 > PCB设计问答 > Cadence Allegro > 电源完整性理论基础之三

电源完整性理论基础之三

时间:10-02 整理:3721RD 点击:
5.4 旁路电容的特性和应用

从上面的分析可以看到,无论是降低电源平面阻抗,还是减少同步开关噪声,旁路电容都起着很大的作用,电源完整性设计的重点也在如何合理的选择和放置这些电容。说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来:Xcap=1/2лfC,工作频率越高,电容值越大则电容的阻抗越小。在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中,往往电容的作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里,我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。

       对于电容在高速PCB电路中的作用,诸如减少电源波动(图1-5-14),降低SSN和串扰,抑制EMI等等,这些在相应的文章里都已提及,本节不再重复,而重点放在讨论实际电容的特性及具体应用上。

       [img=554,194][/img]

5.4.1  电容的频率特性

对于理想的电容器来说,不考虑寄生电感和电阻的影响,那么我们在电容设计上就没有任何顾虑,电容的值越大越好。但实际情况却相差很远,并不是电容越大对高速电路越有利,反而小电容才能被应用于高频。理解这个问题,我们首先必须了解实际电容器本身的特性,参考图1-5-15,可以看到实际的电容器要比理想的电容复杂的多,除了包含寄生的串联电阻Rs(ESR),串联电感Ls(ESL),还有泄漏电阻Rp,介质吸收电容Cda,和介质吸收电阻Rda等。泄漏电阻Rp也称为绝缘电阻,值越大,泄漏的直流电流越小,性能也越好,一般电容的Rp都很大(G欧姆级以上),所以在一般考虑问题时可以忽略。介质吸收的等效RC电路反映了电容介质本身的特性,是一种有滞后性质的内部电荷分布,它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷,所以介质吸收太大的电容不能应用于采样保持电路。

[img=548,269][/img]    对电容的高频特性影响最大的则是ESR和ESL,我们通常采用上图中简化的实际模型。电容也可以看成是一个串联的谐振电路,其等效阻抗和串联谐振频率为:

[img=148,48][/img]  ,  [img=84,40][/img]

当它在低频的情况(谐振频率以下),表现为电容性的器件,而当频率增加(超过谐振频率)的时候,它渐渐的表现为电感性的器件。也就是说它的阻抗随着频率的增加先增大后减小,等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率是,这时候,电容的容抗和感抗正好抵消,表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻ESR,变化曲线如图1-5-16所示:

[img=551,248][/img]

从谐振频率的公式可以看出,电容大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率(见图1-5-17)。由于电容在谐振点附近的阻抗最低,所以设计时尽量选用FR和实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大,则可以混合使用电容,即同时选择一些FR较小的大电容和FR较大的小电容。

[img=554,269][/img]  描述曲线的锐度可以用品质因素Q值来表示,数值上等于电路中储存的能量和消耗的能量的比值,Q值越大,谐振频率曲线越尖,表示能量衰减的越慢。电容的Q值主要和ESL和ESR的比值有关,其表达式为:

        [img=215,40][/img]


5.4.3  电容的介质和封装影响

实际电容器的特性最主要受封装结构和介质材料的影响。从封装形式上看,有引线式和贴片式两种,贴片电容是靠焊锡直接贴装在电路板上,其寄生电感要比引线电容小很多,所以更适合高频电路使用。有时候,同样的数值,同样的介质材料,但不同厂家的电容封装大小却可能不同,我们的基本判断方法是:如果对于较大值的电容(大于10uF),一般封装较小的比封装较大具有更大的ESL,ESR。但对于数值小的电容来说,就不能简单地通过外形大小判断,而是需要厂家提供的实际数据或实际测量的结果。根据介质不同,电容又可分为陶瓷、云母、纸质、薄膜、电解等几种。目前,在数字电路PCB设计中使用最广泛的是陶瓷电容,它具有介电系数高,绝缘度好,温度特性佳等优点,适合做成高密度,小尺寸的产品。

       通常应用于陶瓷电容器较常见的介质有三种:Z5U(2E6),X7R(2X1),NPO(C0G)。Z5U具有较高的介电常数,常用于标称容量较高的大容量电容器,其1206贴片封装的电容值可以达到0.33uF,它的温度特性较差,最好应用于10~85oC范围之内。由于Z5U成本较低,所以广泛用于对容量、损耗要求不高的场合;X7R材料比Z5U介电常数低,所以同样的1206封装,最大只能达到0.12uF的容量。但它的电气性能较稳定,随温度、电压,时间的改变,其特性变化并不显著,属稳定型电容材料类型,适用于隔直、耦合、旁路、滤波电路及可靠性要求较高的中、低类场合;NPO材料的电气特性最稳定,基本上不随温度、电压、时间的改变而改变,属超稳定型,低损耗电容材料类型,适用于对稳定性、可靠性要求较高的高频、超高频的场合。



Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top