去耦是一種基于頻率從復(fù)合信號(hào)中分離信號(hào)分量的方法。因此，了解應(yīng)該隔離哪個(gè)頻率范圍對(duì)于準(zhǔn)確地在系統(tǒng)中放置電容器很重要。

交流和直流信號(hào)的分離對(duì)于PCB組件否則它會(huì)影響兩者信號(hào)完整性和電源完整性. 解耦不良也會(huì)導(dǎo)致電源總線噪聲，導(dǎo)致EMC問(wèn)題，影響產(chǎn)品可靠性。

去耦電容器因其固有的能量存儲(chǔ)能力而用于電源和瞬態(tài)去耦。復(fù)雜的 PCB 組件具有多個(gè)電源，需要電壓調(diào)節(jié)以確保處理器、FPGA、IC 或放大器等組件的正常運(yùn)行。這些電容器在需要時(shí)提供電流以維持組件的電壓水平。有效的去耦取決于電容器類型及其在電路板上的位置。

在本文中，我們討論了一些重要的去耦電容器放置指南，以減少對(duì)配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 和 I/O 信號(hào)的不利影響。

PCB去耦的概念

PCB 去耦和電壓波動(dòng)

當(dāng) PCB 上的有源器件顯示其吸收的電流量突然變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致連接走線阻抗上的電源電壓下降。這種電壓降會(huì)影響板上所有設(shè)備的功能，而不僅僅是開(kāi)關(guān)設(shè)備。如果壓降過(guò)高，PCB 上的電路可能無(wú)法正常運(yùn)行。電源總線上的電壓波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)或輻射電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題.

通過(guò)在有源器件附近的電源和接地導(dǎo)體之間放置一個(gè)電容器，可以控制電壓波動(dòng)。該電容器充當(dāng)本地電荷儲(chǔ)存器，可控制電流的突然變化，同時(shí)平衡電源總線上的電壓。

基于電容器放置的連接走線電感。

電源總線去耦電容器放置策略

PCB 可以分為三類用于電源總線去耦：

• 沒(méi)有電源層的板
• 具有緊密間隔電源層的電路板
• 具有寬間距電源層的電路板

沒(méi)有電源層的板

對(duì)于沒(méi)有電源層的電路板，去耦電容器放置更容易。如果 PCB 具有一個(gè)或多個(gè)實(shí)心接地層，則這一點(diǎn)非常正確。當(dāng)電源分布在走線上時(shí)，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)控制每個(gè)設(shè)備所見(jiàn)的電源總線噪聲具有挑戰(zhàn)性。

板上有源器件之間的最佳隔離允許設(shè)計(jì)人員單獨(dú)去耦每個(gè)器件。它可確保滿足器件的高頻電流要求，而不允許電源輸入引腳出現(xiàn)不可接受的電壓擺幅。以下是去耦電容器放置的一些指南 沒(méi)有電源層的 PCB：

• 至少放置一個(gè)局部去耦電容對(duì)于板上的每個(gè)有源設(shè)備。
• 至少放置一個(gè)大容量去耦電容器對(duì)于電路板上的每個(gè)電壓分布。
• 在有源器件的電壓和接地引腳之間連接本地去耦電容器。確保由電容器連接形成的回路面積最小。

有源器件的電壓和接地引腳之間的本地去耦電容器。

• 在電壓進(jìn)入電路板的入口點(diǎn)附近放置大容量去耦電容器。如果電路板上產(chǎn)生電壓，那么這些電容器應(yīng)安裝在靠近產(chǎn)生電壓的位置。
• 大容量去耦電容器的大小根據(jù)整個(gè)電路板的瞬時(shí)（瞬態(tài)）電流要求進(jìn)行選擇。放置兩個(gè)具有相同標(biāo)稱值的本地去耦電容器比放置一個(gè)具有兩倍標(biāo)稱值的電容器要好。原因是兩個(gè)電容器具有較低的整體連接電感，并為電源總線的其余部分提供更好的高頻濾波。

具有緊密間隔電源層的電路板

將去耦電容器放置在具有緊密間隔電源平面的 PCB 上需要不同的方法。這是因?yàn)檫@些平面貢獻(xiàn)了一個(gè)去耦電容（由于它們非常接近），這在高頻下變得很重要。

• 選擇可用的最大標(biāo)稱電容。不要使用理論電容小于電源和電源返回層之間自然存在的平行板電容的電容器。一塊用FR-4材質(zhì)包含一對(duì)間隔 0.25 mm（10 mil）的配電平面，具有大約 16 pF/cm 的平面間電容2.
• 局部去耦電容器的放置并不重要，因?yàn)樗鼈兊男阅苁芘c平面相關(guān)的連接電感的影響。根據(jù)它們的有效工作頻率，它們可以位于有源設(shè)備附近的任何地方。
• 去耦電容的數(shù)量與有效連接電感大致成反比。這就是為什么高速電路板通常每個(gè)有源器件都有許多本地去耦電容器。連接電感由電容器本體形成的回路面積計(jì)算，安裝墊，痕跡，和過(guò)孔.
• 避免使用連接到去耦電容器墊的走線。在焊盤(pán)內(nèi)部或附近放置通孔，最好盡可能靠近。
• 如果沒(méi)有空間將過(guò)孔定位在電容器焊盤(pán)附近，則移動(dòng)整個(gè)電容器。實(shí)際上，電容器的位置并不重要，但連接電感至關(guān)重要。
• 將所有本地去耦電容器安裝在最靠近平面的板上。連接電感大約與與平面的距離成正比。

具有寬間距電源層的電路板

如果 PCB 上的電源層和接地層相距至少 0.5 mm，則平面之間的電感不能被忽略。此規(guī)則適用于大多數(shù)使用 1 mm 磁芯制造的 4 層板，并且多層板在電源層和接地層之間有信號(hào)層。

• 大容量去耦電容器的總值通過(guò)板上有源器件的瞬態(tài)功率要求進(jìn)行評(píng)估。
• 局部去耦電容器在較高頻率下發(fā)揮著重要作用。它們連接到配電平面的電感比它們的標(biāo)稱電容重要得多。
• 本地去耦電容器應(yīng)盡可能靠近它們所去耦的有源器件的電源或接地引腳。并且可以通過(guò)識(shí)別離有源器件最遠(yuǎn)的配電平面來(lái)確定電容器應(yīng)位于的引腳。
• 選擇可用的最大標(biāo)稱電容。標(biāo)稱電容值與連接電感無(wú)關(guān)。
• 定位本地去耦電容器，使連接到最遠(yuǎn)平面的引腳最靠近連接到該平面的有源器件引腳。
• 將去耦電容器放置在有源器件附近以共享相同的過(guò)孔是一個(gè)合適的選擇。但是，不應(yīng)在電容器安裝焊盤(pán)和通孔之間使用走線。
• 切勿在去耦電容器上使用走線來(lái)降低連接電感。將過(guò)孔放置在靠近安裝焊盤(pán)的位置，并盡可能靠近兩個(gè)電容器過(guò)孔。此外，將所有本地帽安裝在最靠近平面的板上。

在電容焊接焊盤(pán)附近放置過(guò)孔。

為了信號(hào)和電源完整性，去耦電容器應(yīng)該放在哪里？

• 將電容器并聯(lián)用于電源引腳和接地： 去耦 I/O 信號(hào)路徑、配電和接地并不是那么重要，但消除交流或直流耦合至關(guān)重要。因此，電容應(yīng)與信號(hào)路徑并聯(lián)。
• 為了最大限度地減少高頻 EMI，將電容器與電阻器并聯(lián)： 去耦電容也可以與電阻并聯(lián)，以濾除不需要的高頻，同時(shí)允許低頻和直流通過(guò)。
• 將電容放置在信號(hào)源附近： 去耦電容應(yīng)盡可能靠近信號(hào)去耦源。這意味著蓋子應(yīng)放置在 IC 的引腳上，并靠近 I/O 信號(hào)的連接器。
• 為 I/O 信號(hào)走線串聯(lián)電容器： 為了從輸入和輸出信號(hào)中去除低頻瞬變，電容器應(yīng)與走線串聯(lián)。高頻會(huì)通過(guò)電容器，但低頻和直流會(huì)被阻擋。此外，高頻瞬變應(yīng)使用小電容，低頻瞬變應(yīng)使用大電容。
• 將電容器放置在與數(shù)字和模擬接地相同的層上： 去耦電容器還可用于分離模擬和數(shù)字信號(hào)。這是通過(guò)在 AC 和數(shù)字 PCB 接地端之間連接一個(gè)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
• 在接地平面連接之前連接電容器： 將電容器連接到組件引腳，然后再將其連接到通孔以到達(dá)電源層。這確保了平穩(wěn)的電流流過(guò)平面。

BGA 的去耦電容器放置指南

• 將去耦電容器放置在BGA另一側(cè)的引腳下方。

這就是 BGA 將如何通過(guò)焊盤(pán)上的通孔扇出。稍后，它可以填充導(dǎo)電或非導(dǎo)電填充物。

去耦電容器放置在 BGA 的另一側(cè)。

不是在 BGA 的電源/接地部分內(nèi)每個(gè)球放置一個(gè)過(guò)孔，而是每隔一行跳過(guò)并與兩個(gè)電源或接地球共享每個(gè)過(guò)孔。

與將電容器放置在封裝區(qū)域之外相比，這將允許電容器直接安裝在部件下方并最小化電感。

筆記： 好的處理方式是限制一個(gè)通孔連接電源引腳的數(shù)量。

• 將旁路電容器放置在電路板的另一側(cè)庭院區(qū)域，用于周邊矩陣 BGA。調(diào)整電容器的方向，使 BGA 電源引腳扇出孔也可以作為電容器的連接點(diǎn)。這為電源提供了最低電感通道，同時(shí)為信號(hào)路由留出了通孔空間。

在矩陣內(nèi)放置旁路電容器時(shí)，僅當(dāng)存在可用的過(guò)孔作為矩陣的一部分時(shí)才嘗試這樣做BGA扇出圖案。在這些區(qū)域添加額外的過(guò)孔是可能的。但請(qǐng)注意，由于扇出模式在四個(gè)方向，額外的過(guò)孔也會(huì)減少內(nèi)部電源和接地平面上的銅通道。

• 一個(gè)實(shí)心BGA矩陣在中間有接地引腳，由一排或兩排電源引腳包圍。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，可以移除外部接地引腳行的自動(dòng)扇形出通孔，并將其扇形回下一個(gè)內(nèi)部行。

這種方法通過(guò)在電路板的底部放置旁路電容器，在中間的接地引腳塊周圍創(chuàng)建一個(gè)通道。為此，可能需要減小一些功率電容器的尺寸。因此，大量旁路電容器被放置在離電源引腳更近的地方。

旁路電容應(yīng)該放在 PCB 的什么位置？

電容器的放置是最關(guān)鍵的階段之一印刷電路板設(shè)計(jì)過(guò)程。不正確的電容器放置可以完全取消它們的性能。

• 相對(duì)于 SMT 組件放置，將電容器放置在電路板的底部。

建議將 SMT 元件放置在底部，因?yàn)殡娙萜魍ǔ７胖迷?SMT 元件的焊盤(pán)下方。將它們放在底部可為扇出走線和過(guò)孔提供更多空間。如果您將電容器放置在頂部，請(qǐng)將它們放置在盡可能靠近組件電源引腳的位置。

如上圖所示，旁路電容在頂部占據(jù)了額外的空間，因此減少了過(guò)孔的可用空間。如下圖所示，由于電容放在反面，所以可以放在上面IC焊盤(pán)的下面。因此，沒(méi)有通孔空間損失。

電容放置在另一側(cè)。

上面顯示的方法是PCB工程師的首選方法。它不僅提供了更多的過(guò)孔空間，而且還具有通過(guò)將電容器的接地端直接連接到器件的接地引腳之一來(lái)縮短接地路徑的優(yōu)勢(shì)。這在 IC 周圍提供了一個(gè)更短、電感更小的接地系統(tǒng)。

• 將多個(gè)不同值的電容器連接到 IC 上的同一個(gè)電源引腳時(shí)，請(qǐng)將值最低的電容器靠近器件引腳放置。

最低值的電容器為最大頻率電源電流要求提供開(kāi)關(guān)電流。當(dāng)數(shù)字設(shè)備的輸出從“OFF”狀態(tài)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)（反之亦然）時(shí)，執(zhí)行此操作所需的電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變得非常高。

如果唯一可用于產(chǎn)生這種近乎瞬時(shí)電流的電容器是較大值的電容器，那么由于電容器的時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)，輸出將無(wú)法以所需的速度切換。這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)中出現(xiàn)嚴(yán)重的時(shí)序問(wèn)題。

電容的交替布線。

在引腳附近連接低值電容器可以快速向開(kāi)關(guān)器件提供小電流。這是因?yàn)檫@些電容器具有較短的時(shí)間常數(shù)。一旦輸出恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，電流要求就會(huì)降低。

• 按電容值的升序?qū)⑤^大的非極化電容器和鉭電容器放在引腳或器件附近。鉭電容器提供電流的速度比系統(tǒng)電源快。這些電容器為高頻電容器充電的速度比系統(tǒng)電源的響應(yīng)速度更快。

在下圖中，具有最低值 (C13) 的電容器最靠近器件電源引腳，其次是 C2 和 C14。鉭可以放置在器件的上方或下方，只要靠近 U1 并且不會(huì)影響性能。

去耦電容按升序放置

IC左右兩側(cè)的空間一般用于扇出或鉭之前需要注意的其他組件。隨著電容值的增加，每個(gè)值的電容器數(shù)量通常會(huì)減少。一個(gè)鉭電容器可能有四到六個(gè)陶瓷電容器。大于 10uF 的電容器通?？梢苑植荚诟蟮膮^(qū)域。

• 對(duì)于具有多個(gè)電源引腳的設(shè)備，每個(gè)電源引腳至少使用一個(gè)旁路電容器。

如果設(shè)計(jì)只允許使用兩個(gè)旁路電容器，則在設(shè)備的任一側(cè)放置一個(gè)。

多引腳設(shè)備每個(gè)電源引腳的旁路電容器放置

到避免地彈問(wèn)題（因?yàn)樵S多輸出同時(shí)切換），每個(gè)設(shè)備再添加兩個(gè)電容器，如下所示。

旁路電容器放置以避免接地反彈

• 請(qǐng)參閱原理圖以確保將旁路電容器放置在器件電源引腳而不是高邏輯引腳。

從 PCB 組裝的角度來(lái)看，電容器是用途最廣泛的組件，去耦是其主要功能之一。事實(shí)上，電路板的信號(hào)和電源完整性可能取決于去耦電容器放置的效率。