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电路板电容组合的选择

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-10-14 13:56    浏览量:
     瞬态电流的变化相当于阶跃信号,具有很宽的频谱。因而,要对这一电流需求补偿,就必须在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗。但是,不同电容的有效频率范围不同,这和电容的谐振频率有关(严格来说应该是安装后的谐振频率),有效频率范围(电容能提供足够低阻抗的频率范围)是谐振点附近一小段频率。因此要在很宽的频率范围内提供足够低的电源阻抗,就需要很多不同电容的组合。 
     只用一个容值,只要并联电容数量足够多,也能达到同样低的阻抗。的确如此,但是在实际应用中可以算一下,多数时候,所需要的电容数量很大,电路板上密密麻麻的全是电容。既不专业,也没必要。
     选择电容组合,要考虑的问题很多,比如选什么封装、什么材质、多大的容值、容值的间隔多大、主时钟频率及其各次谐波频率是多少、信号上升时间等,需要根据具体的设计来确定。 
     通常,用钽电容或电解电容来进行板级低频段去耦。电容量的计算方法前面讲过了,需要提醒一点的是,最好用几个或多个电容并联以减小等效串联电感。这两种电容的Q值很低,频率选择性不强,非常适合板级滤波。 
     高频小电容的选择有些麻烦,需要分频段计算。可以把需要去耦的频率范围分成几段,每一段单独计算,用多个相同容值的电容并联来达到阻抗要求,不同频段选择不同的电容值。但这种方法中,频率段的划分要根据计算的结果不断调整。 
     一般划分3~4个频段就可以了,这样需要3~4个容值等级。实际上,选择的容值等级越多,阻抗特性越平坦,但是没必要用非常多的容值等级,阻抗的平坦当然好,但是大家的最终目标是总阻抗小于目标阻抗,只要能满足这个要求就行。 
     在某个等级中到底选择哪个容值,还要看系统时钟频率。前面讲过,电容的并联存在反谐振,设计时要注意,尽量不要让时钟频率的各次谐波落在反谐振频率附近。比如在零点几微法等级上选择0.47、0.22、0.1还是其他值,要计算一下安装后的谐振频率再确定。 
     还有一点要注意,容值的等级不要超过10倍。比如可以选类似0.1、0.01、0.001这样的组合。因为这样可以有效控制反谐振点阻抗的幅度,间隔太大,会使反谐振点阻抗很大。当然这不是绝对的,最好用App看一下,最终目标是反谐振点阻抗能满足要求。 
      高频小电容的选择,要想得到最优组合,是一个反复迭代寻找最优解的过程。最好的办法就是先粗略计算一下大致的组合,然后用电源完整性仿真App做仿真,再做局部调整,能满足目标阻抗要求即可,这样直观方便,且控制反谐振点比较容易。可以把电源平面的电容也加进来,联合设计。 
     下图是一个电容组合的例子。这个组合中使用的电容为:2个680μF钽电容,7个2.2μF陶瓷电容(0805封装),13个0.22μF陶瓷电容(0603封装),26个0.022μF陶瓷电容(0402封装)。图中,上部平坦的曲线是680μF电容的阻抗曲线,其他三个容值的曲线为图中的三个V字形曲线,从左到右依次为2.2μF、0.22μF、0.022μF。总的阻抗曲线为图中底部的粗包络线。这个组合实现了在500kHz~150MHz范围内保持电源阻抗在33mΩ以下。在500MHz频率点处,阻抗上升到110mΩ。从图中可见,反谐振点的阻抗控制得很低。


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