PCB板去耦電容的大小選擇與布置

一、PCB板中去耦電容的分類

去耦電容在補(bǔ)償集成片或電路板工作電壓跌落時(shí)能起到儲(chǔ)能作用。它可以分成整體的、局部的和板間的三種。整體去耦電容又稱旁路電容，它工作于低頻（《1MHz）范圍狀態(tài)，為整個(gè)電路板提供一個(gè)電流源，補(bǔ)償電路板工作時(shí)產(chǎn)生的ΔI噪聲電流，保證工作電源電壓的穩(wěn)定。它的大小為PCB上所有負(fù)載電容和的50~100倍。它應(yīng)放置在緊靠PCB外接電源線和地線的地方，印制線密度很高的地方。這不僅不會(huì)減小低頻去耦，而且還會(huì)為PCB上布置關(guān)鍵性的印制線提供空間。

局部去耦電容有兩個(gè)作用。第一，出于功能上的考慮：通過電容的充放電使集成片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，不會(huì)由于電壓的暫時(shí)跌落導(dǎo)致集成片功能受到影響；第二，出于EMC考慮：為集成片的瞬變電流提供就近的高頻通道，使電流不至于通過環(huán)路面積較大的供電線路，從而大大減小向外的輻射噪聲。同時(shí)由于各集成片擁有自己的高頻通道，相互之間沒有公共阻抗，抑止了其阻抗耦合。局部去耦電容安裝在每個(gè)集成片的電源端子和接地端子之間，并盡量靠近集成片。

板間去耦電容是指電源面和接地面之間的電容，它是高頻率時(shí)去耦電流的主要來源。板間電容可以通過增加電源層和接地層間面積來增大。在PCB中，一些接地面可以布到了電源層，移去這些接地面，用電源隔離區(qū)代之，可以增加板間電容。

二、PCB板中去耦電容的大小

在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，好的高頻去耦電容可以去除高到1GHz的高頻成分。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)印制線路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源、地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。去耦電容的配置原則如下：

1、電源分配濾波電容

電源輸入端跨接一個(gè)10μF~100μF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。1μF，10μF電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進(jìn)入印制板的地方和一個(gè)1μF或10μF的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。

2、芯片配置去耦電容

為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1/μF的去耦電容有5nH分布電感，它的并行共振頻率在7MHz左右，也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4~10個(gè)芯片配置一個(gè)1μF~10μF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz~20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1μF~10μF而且漏電流很?。?.5μA以下）。去耦電容值的選取并不嚴(yán)格，可按C=1/f計(jì)算，即10MHz取0.1μF。對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取0.1μF~0.01μF之間都可以。

3、必要時(shí)加蓄放電容

每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選10μF。通常使用的大電容為電解電容，但是在濾波頻率比較高時(shí)，最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感，最好使用鉭電容或聚碳酸酯電容。

三、PCB板中合理布置去耦電容

（一）電容的等效模型在用電容抑制電磁騷擾和濾波的時(shí)候，最容易忽視的問題就是電容引線對濾波效果的影響。電容器的容抗與頻率成反比，正是利用這一特性，將電容并聯(lián)在信號線與地線之間起到對高頻噪聲的旁路作用。然而，在實(shí)際工程中，很多人發(fā)現(xiàn)這種方法并不能起到預(yù)期濾除噪聲的效果，面對頑固的電磁噪聲束手無策。出現(xiàn)這種情況的一個(gè)原因是忽略了電容引線對旁路效果的影響。

實(shí)際電容器是由等效電感（ESL）、電容和等效電阻（ESR）構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

理想電容的阻抗是隨著頻率的升高降低，而實(shí)際電容的阻抗是圖6-7所示網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，在頻率較低的時(shí)候，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加而降低，在某一點(diǎn)發(fā)生諧振，在這點(diǎn)電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點(diǎn)以上，由于ESL的作用，電容阻抗隨著頻率的升高而增加，這使電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點(diǎn)以上，由于電容的阻抗增加，因此對高頻噪聲的旁路作用減弱，甚至消失。所以在布置去耦電容的時(shí)候一定要注意電容的分布參數(shù)對濾波的影響。

（二）電容引線的作用

電容的諧振頻率由ESL和C共同決定，電容值或電感值越大，則諧振頻率越低，也就是電容的高頻濾波效果越差。ESL除了與電容器的種類有關(guān)外，電容的引線長度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線越長，則電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實(shí)際工程中，要使電容器的引線盡量短，電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如圖1所示：

圖1：濾波電容的安裝方法

根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理，諧振點(diǎn)不僅與電感有關(guān)，還與電容值有關(guān)，電容越大，諧振點(diǎn)越低。許多人認(rèn)為電容器的容值越大，濾波效果越好，這是一種誤解。電容越大對低頻干擾的旁路效果雖然好，但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振，阻抗開始隨頻率的升高而增加，因此對高頻噪聲的旁路效果變差，所以在濾波的時(shí)候要選取合適的電容。表4-2是不同容量瓷片電容器的自諧振頻率，電容的引線長度是1.6mm。

盡管從濾除高頻噪聲的角度看，電容的諧振是不希望的，但是電容的諧振并不是總是有害的。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時(shí)，可以通過調(diào)整電容的容量，使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。

（三）溫度對電容的影響

溫度對電容的特性也有很大的影響，由于電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響，因此電容器的電容值也隨著溫度變化。不同的介質(zhì)隨著溫度變化的規(guī)律不同，有些電容器的容量當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)減小70%以上。常用的濾波電容為瓷介質(zhì)電容。瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型（如COG或NPO）、穩(wěn)定型（如X7R）以及通用型（如Y5V或Z5U）三種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如圖2所示：

圖2：不同介質(zhì)電容器的溫度特性

從圖2中可以看到，C0G電容器的容量幾乎隨溫度沒有變化，X7R電容器的容量在額定工作溫度范圍變化12%以下，YSV電容器的容量在額定工作溫度范圍內(nèi)變化70%以上。這些特性是必須注意的，否則會(huì)出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時(shí)性能變化而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生電磁兼容問題。

C0G介質(zhì)電容雖然受溫度影響很小，特性穩(wěn)定，但其介電常數(shù)較低，一般在10~100，因此當(dāng)體積較小時(shí)，容量較小。XTR介質(zhì)電容的介電常數(shù)高得多，為2000~4000，因此較小的體積能產(chǎn)生較大的電容。YSV介質(zhì)電容的介電常數(shù)最高，為5000~25000。通常是用在要求較小的體積，較大的容值的地方。

許多人在選用電容器時(shí)，片面追求電容器的體積小，這種電容器的介質(zhì)雖然具有較高的介質(zhì)常數(shù)，但溫度穩(wěn)定性很差，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的溫度特性變差。這在選用電容器時(shí)要特別注意，尤其是在軍用設(shè)備中。

（四）PCB板中電壓對電容的影響

電容器的電容量不僅隨著溫度變化，還會(huì)隨著工作電壓變化，這一點(diǎn)在實(shí)際工程必須注意。X7R電容器在額定電壓狀態(tài)下，其容量降為原始值的70%而YSV電容器的容量降為原始值的30%了解了這個(gè)特性，在選用電容時(shí)要在電壓或電容量上留出余量，否則在額定工作電壓狀態(tài)下，濾波器會(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果。

圖3：電容器的電壓特性

綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí)，電容的變化如圖3所示。

所以在濾波電容放置時(shí)一定要全面考慮電容的濾波效果，而不是越多越好，越大越好。排除盲目使用電容的誤區(qū)，也排除不使用的觀點(diǎn)。

圖4：電容器的溫度/壓特性

四、PCB板去耦電容合理配置

（1）合理布置電源濾波/退耦電容：一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波/退耦電容，但未指出它們各自應(yīng)接于何處。其實(shí)這些電容是為開關(guān)器件（門電路）或其他需要濾波/退耦的件而設(shè)置的，布置這些電容就應(yīng)盡量靠近這些元部件，離得太遠(yuǎn)就沒有作用了。當(dāng)電源濾波/退耦電容布置的合理時(shí)，接地點(diǎn)的問題就顯得不那么明顯。

（2）對于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM ，RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線（VCC）和地線（GND）間直接接入去耦電容。

（3）去耦電容的引線不能過長，引線越短，去耦效果越好。特別是高頻旁路電容不能帶引線。

（4）去耦不是越多越好，而是要注意濾波的效果，根據(jù)電路板和器件的時(shí)間情況來選用電容的個(gè)數(shù)和大小。

（5）去耦電容在要求較高的時(shí)候不用瓷片電容和電解電容，以為它們的容值精度差，分布電感大。要選用比較精確的鉭電容或者聚酯電容等。

（6）在芯片較多、去耦電容比較多地方，可以安裝一個(gè)充放電電容，來電荷的瀉放電路開關(guān)工作過程中產(chǎn)生的積累。