如何决定旁路电容器(或电容器)的大小为您的项目?你是否需要多个电容器来绕过特定的芯片?多值电容器对特定用途重要吗?你是否赞同老妇beplay官方账号人的尾巴关于并联两个数量级不同的电容器?这里有一个关于这个主题的观点供你考虑。
不信…
电容器只是电容器吗?
当你在大学里上基础电路理论课时,教授会介绍各种类型的电路元件,就好像它们是完美的器件一样。电阻器只有电阻。电感器只有电感。电容只有电容。“忽视边缘效应……”学生可能是从教授那里听到的。而且,由于首要定律(你最先学到的东西会一直跟着你),许多工程师仍然相信这是真的,这让EMC的工程师和技术人员很高兴,因为这个错误的信念让我们获得了有报酬的工作。
虽然纯电容器的概念是一个有用的工具,但在实际电路中也涉及到电阻和电感。电阻来自于电路板不是超导体的事实,电感来自于电路有一定长度和面积的事实。在这个讨论中,我们假设(危险的话,但是……)阻力可以忽略不计。不是零,但已经足够接近政府工作了。然而电感是很重要的。
如果我们在电路中有一些小的,非零的电感,我们可以将电容器建模,安装时,作为一个由电容器和小电感值组成的串联电路。
电容和电感的阻抗值取决于器件和频率的值。对于电感(我们将假设为3 nH为本例,因为这是典型的旁路电容电路在PWB),此阻抗为
Zl(f) = 2πfL
对于电容来说,这个阻抗是
ZC(f) = 1/2πfC
当我们考虑串联LC电路时,总阻抗为2πfL + 1/2πfC
总阻抗为零的自谐振频率(如果我们忽略了电路中实际存在的小阻值)为
在自谐振频率以下,电路将呈现电容性,在自谐振频率以上,电路将呈现电感性。
例子
它作为频率的函数是怎样的?让我们来看看一个0.1 μF的电容,与3 nH的电感串联,从1 MHz开始,一直到5 GHz。
LC电路的自谐振频率略低于10 MHz,因此如果我们正在寻找对辐射发射有效的旁路,我们可能会认为这个电容太大了,因为30 MHz高于电路的自谐振频率。让我们看一个更小的电容,比如470pf,这个电路的阻抗是什么样子的?
现在我们已经将自谐振频率提高到100 MHz以上。看起来好多了。如何使电容器小一个数量级,47 pF?
现在自谐振频率刚好在400mhz以上。这应该很棒。
没那么快!
这就是老妇人的故事中关于可能使用两个电容器在价值上相隔几个数量级的地方。使电容器变小确实提高了自谐振频率(频率的平方根),但你注意到其他事情了吗?串联LC电路的整体价值如何呢?虽然电容的值发生了变化,但电感的值却没有变化。如果我们把这三条曲线叠加在一张图上,我们就得到了
图中红线为0.1 μF电容和3nh电感串联LC电路的总阻抗,绿线为470pf电容的总阻抗,蓝线为47pf电容的总阻抗。是的,对于较小的电容器,自谐振频率更高,但一旦我们稍微高于自谐振频率,最终阻抗是相同的。记住,在自共振以上,整个电路是感应的,电感没有改变。同样,在给定频率下,电容器的阻抗随着值的下降而上升。将一个较小的电容器与一个较大的电容器并联,我们能得到什么?看看这张图,没有什么,如果有的话。为每个芯片增加第二个电容,我们损失了什么?由于增加了额外的部件,额外的板面积和可靠性降低。
现在,这个例子假设(危险的词)添加第二个电容器并没有给电路增加任何电感。让我们再深入一点。在现实世界中,第二个电容器与第一个电容器并不是完全匹配的,所以它有一点额外的电感。而不是像这样的电路:
我们最终得到的电路是这样的:
我们最终得到了Z的旁路电路的总阻抗L1+ ZC1ǁ(ZL2+ ZC2)
如果我们把更大的电容放在被旁路的芯片一侧,我们假设电容的值为0.1 μF和0.001 μF,我们假设额外的电感L2可能是0.5 nH,我们就会得到一个像这样的阻抗曲线(绿色)。如果我们将新曲线叠加在大电容器的原始曲线(红色)上。1 μf),我们就能看到新的旁路电路的样子。没有太大的改善(如果有的话),是吗?顺便说一句,绿色曲线中200兆赫左右的小光点似乎是数学程序的人工产物。将分辨率提高到10千赫,仔细观察图表,就会发现这个光点已经消失了。
现在,为了好玩,让我们把电容器颠倒一下,让小的(。001 μF)朝向集成电路,较大的(。1 μF)被添加到第一个电容器的“外部”。我们得到了一个非常有趣的变化:
绿色的迹线是旁路电路的总阻抗,大电容在被旁路芯片的一侧,红色的迹线是旁路电路的总阻抗,小电容在芯片的一侧。整体阻抗的大“尖峰”显示在这一个电路中,较小的电容器靠近IC。此外,请注意,当我们反转两个电容器时,自谐振频率已经略微降低。如果被抑制的谐波恰好与正的尖峰(交叉频率下的平行共振)对齐,则可能会出现严重的发射问题。
考虑到总体变化(并不是更好的峰值总阻抗),添加第二个较小的电容器,如果它被放置在较大的电容器的外侧,实际上没有任何影响,如果较小的电容器被放置在较大的电容器的内侧,则有潜在的负面影响。使用单旁路电容器。
那么,一个电容器应该有多大呢?
这是一个价值6400万美元的问题(如果你太年轻,无法理解其中的含义,可以在谷歌上查一下,它太老了,“过去”是一个价值64000美元的问题)。没有一个正确的答案,但请记住,作者以前的雇主只是到处使用0.1 μF的电容器(或者是0.01 μF,我不记得了)。它运行得很好。他们没有做的是为每个芯片使用不同值的多个电容器。电容器有两项功能。首先,它作为一个旁路电容器,以最大限度地减少排放,其次,它作为一个局部电荷库,以允许电流在需要时提供给芯片。电路板上的大电容离得太远了,根本帮不上忙。它们的全部目的是为所有旁路电容器再充电。
结论
过去曾有许多人主张使用两个电容器,在数值上相差几个数量级,来绕过芯片以最大限度地减少排放。我希望你明白为什么这不是一个有效的想法。第二个电容器没有帮助,它会占用电路板上的空间,由于额外的部件,它会降低可靠性。更不用说它对整体阻抗曲线的影响了。它唯一的帮助是你的电容器推销员的佣金。
让电路板设计师保持诚实的乐趣吧,不要告诉你的教授,他们对大二工程学生的“忽视边缘效应”的说法让你保住了工作。