电容综述性文章

1关于去耦电容应用的综述文挡结构：基本概念：等效电感（ESL）和等效电阻（ESR）文章一：高速PCB电源完整性和地波动分析的仿真第一篇：高速系统中的接地第二篇：电源噪声的削减和滤除方法第三篇：EMI/RFIConsiderations当今高速数字电路与高频设计的处理器的时钟频率和传输信号速率的频率范围已经达到GHz，这意味着PCB也要处理同样高的频率和宽带信号。去除高频PCB的干扰，主要采用屏蔽、滤波和接地三种方式。在滤波中的电容就显得至关重要。下面给出的资料，介绍了PCB设计中去耦电容的作用与使用方法。1.基本概念：等效电感（ESL）和等效电阻（ESR）在用电容抑制电磁骚扰时，最容易忽视的问题就是电容引线对滤波效果的影响。电容器的容抗与频率成反比，正是利用这一特性，将电容并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用。然而，在实际工程中，很多人发现这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果，面对顽固的电磁噪声束手无策。出现这种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响。实际电容器的电路模型如图1所示，它是由等效电感（ESL）、电容和等效电阻（ESR）构成的串联网络。理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻抗是图1所示的网络的阻抗特性，在频率较低的时候，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加而降低，在某一点发生谐振，2在这点电容的阻抗等于等效串联电阻ESR。在谐振点以上，由于ESL的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，这是电容呈现电感的阻抗特性。在谐振点以上，由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作用减弱，甚至消失。电容的谐振频率由ESL和C共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也就是电容的高频滤波效果越差。ESL除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中，要使电容器的引线尽量短。等效串联电阻ESR(EquivalentSeriesResistance)：电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，ESR使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响。ESR最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。等效串联电感ESL(EquivalentSeriesInductance)：电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像ESR一样，ESL在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。其原因是用子精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transitionfrequencies)扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号。这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。2.文章一：高速PCB电源完整性和地波动分析的仿真（摘自Ansoft交流会的报告）本文处理的是PCB板中存在的谐振、波动、随参考面改变的信号变化、本征模、信号线与电源地耦合等问题。它还着重论述了去耦电容的布局策略，以满足目标阻抗和时域特性为参考。问题的提出：1)怎样放置电源/地板？2)怎样选择去耦电容？3)怎样布置去耦电容？34)需要多少个去耦电容？5)对地反弹电压是怎么样产生的？问题的提出和解答：1)怎样放置电源/地板？答：找出PCB上的谐振电压分布点，注意到IC芯片是电流流散源（CurrentSinkSource）。找谐振点的应用软件是Ansoft公司的SIWAVE，在频响曲线上可以看到哪个频点是谐振的。这个谐振点就是本征频率，当源（IC芯片）放的位置不足以激励该本征频率时，PCB是稳定的。谐振出现的可能原因是：a)阻抗不匹配时；b)寄生参数有变化时2)关于去耦电容，有几个基本概念要先弄清楚：a)等效输入阻抗：将所要关注的PCB板块看作是一个四端口网络，PCB上采用不同的布线结构时，端口网络的输入阻抗是不一样的。b)将电源/地端子看作网络端口。c)目标阻抗：馈电系统（PDS-PowerDeliverySystem）中的目标阻抗指的是设计者希望得到的从电源馈入端看进去的阻抗（有图例），它需要用频响图来显示，纵坐标是阻抗值的模，横坐标是频率，频率范围应该从直流到包含几个可能的谐振频率点。——有专门的计算公式。要考虑供电电源的波纹电压比值。d)在高频时电容的非线性效应出来了，电容里的寄生电感ESL影响最大，其次是寄生电阻ESR——有几个图例：图例1：馈电系统（PDS-PowerDeliverySystem）的结构件以及它们的作用频段图例2：低阻回路——在低阻回路中，也不是采用单个的电容值越大越好，最好采用并联电路法。3)去耦电容的作用：在电源/地板之间为信号回路提供AC通道；降低馈电系统的阻抗，以防止板间的电磁干扰；控制EMI。44)高频陶瓷电容在馈电系统重点应用越来越广泛。举例：在1MHz时电路所需要的电容量可以依下式计算得到：MHzC1min@=VfI2MHzC1min@是指1MHz时电路所需要的最小电容量，I是电流波动值，V是电压波动值。f=1MHz。上式是否适用于其它频段，有待研究。5)比较四种电容的优缺点：参考链接见：)NPO电容：抗热性好，过压性能好，ESR很低，但只有某些nF型号。参考资料以及产品分类来源见：)X7R电容：型号从nF到uF，抗热性和过压性能稍差。参考资料以及产品分类来源见：)X5R电容：型号从nF到100uF，抗热性和过压性能较差。参考资料以及产品分类来源见：)Y5V电容：适用于大电容量，但抗热性和过压性能更差。3.第一篇：高速系统中的接地1.将模拟地和数字地分开，两个单独的地层。两个地层间插入back-to-back的肖特基二极管，阻止插拔板子时在两个地线系统中产生的DC压变。2.ADC和DAC视作模拟元件，这两者均要将各自的AGND和DGND以最短的引线相连，接地引至模拟地层（IC的DGND意味着管脚与IC芯片的数字地相连，而不是与系统的数字地相连）。在逻辑上的VD（数字）和VA（模拟）管脚间插入损耗性的铁氧体珠。转换器内部的数字电流通过VD管脚处的去耦电容回到地，不再进入内部的地回路。在转换器和数字总线间加设一个缓冲区（接数字地层）。3.模拟和数字电路需要单独供电。给转换器供电的应该是analogsupply。若转换器有VD管脚，应接一个单独的analogsupply或者加滤波后接入共同的analogsupply。转换器的电源管脚应对模拟地层去耦，逻辑回路的电源管脚应对数字地层去耦。4.第二篇：电源噪声的削减和滤除方法5本文讨论的是消除噪声的滤波技术。不仅适用于不同的DC-DC变换器，还适用于通用的PC5V电源。干扰问题有三种来源：干扰源、干扰路径和敏感设备。相应地，解决干扰问题的方法也有三种：1)对于源：合理布线、控制脉冲的上升/下降沿、滤波、良好接地。2)对于传输途径：减少辐射和传导干扰路径，要合理的屏蔽和隔离。3)对于敏感设备：提高设备的抗扰度，方法——电源线和信号线滤波、阻抗平衡技术，或者采用差分技术来消除共模信号。滤波技术中多采用电容，下表给出多种电容及其工作的频段：ESR是等效串联阻抗，指电容的寄生阻抗，它对滤波电路的性能起着很重要的作用。对于同一电容，在不同的频段和不同的温度下，ESR是不同的。ESL是等效串联电感，决定着电路阻抗从容性转变为感性的频率点。采用无铅封装时，ESR和ESL都会得到减小。这里提到的所有电容都是表面搭接封装。1)电解电容：适用低频，电压范围宽：从低于10V到500V。量值：1~数千uF。泄漏电6流高，可达数十uA。2)电解电容中还有一种钽电容，适用电压100V以下，量值500uF以下。比一般电解电容的容量性好，适用频展较宽，ESR较低。在浪涌和波纹电流应用中要格外小心。3)OS-CON电容是电解电容中最优的一种。4)薄膜电容：（比较详细的分类）5)陶瓷电容：图例：图例1：电解电容的高频阻抗特性7图例2：一个5V直流整流电路图（频率：10MHz以下），并且附有元器件应用解说。在低频，电容的阻抗特性主要是ESR决定的，频率升高（一般是1MHz之后），电路呈现感性，就是ESL起主要作用了。值得注意的是在电源滤波中还有另一种应用很广的电容：铁氧化体电容。铁氧化体的特性，和选择铁氧化体的依据见11—12页。有PspiceFerriteModels是计算铁氧化体阻抗的应用软件，推荐使用。8图例3：一个5V高频去耦电容电路图（频率：10~100MHz），并且附有元器件应用解说。最后是关于开关电容的布置的注意事项（泛泛而谈，无案例）。5.第三篇：EMI/RFIConsiderations干扰信号到达敏感设备的途径有两条：传导（电路或系统间）或辐射。一般地，如果干扰频率低于30MHz，干扰方式为耦合。30MHz到300MHz之间，主要的干扰方式为电缆辐射和泄漏。频率高于300MHz，干扰方式为缝和板的辐射。很多情况下干扰源频带很宽，干扰方式是上面几种情况的组合。三种类型的干扰：第一种，由某一设备产生并辐射出的干扰，如笔记本电脑；第二种，电路和系统的抗扰度，描述了回路/系统自身抵抗干扰的能力；第三种，来自系统内部的干扰，系统内部的高速数字电路可以干扰敏感的模拟（或数字）回路，不干净的供电电源也会污染模拟和数字回路。FAT-ID的概念。FAT-ID是所有EMI问题中的5个关键因素：频率f，幅度a，时间t，9阻抗impedance，距离d。干扰源的频率决定了干扰的路径。T与f的关系，riseEMItf1，在这个意义上，EMI也是信号上升时间和脉冲重复率的函数。频谱分析仪＋高速示波器＋电压探头？＋电流探头？在量化EMI问题上是非常有用的工具。分析EMI问题时另一个重要的参数是电缆、电线、机箱的尺寸。电缆既是被动的干扰接收者又是非常有效的干扰发射源。出现EMI问题时，应仔细考虑电缆的长度和电缆的屏蔽，以及设备上的开孔。对于RF场的干扰，模拟回路比数字回路更加敏感，这是因为模拟回路为了处理微伏级、毫伏级的信号，增益很高。数字回路的抗扰度相对要高，这是因为其较大的信号波动和噪声容限。保护模拟回路不受RF场干扰的切入点有三个：信号输入点、信号输出点和馈电点。所有模拟和数字IC的馈电管脚都应该连接0.1F的陶瓷电容器进行去耦。低通滤波器（截止频率设置为不高于信号带宽的10到100倍），可以用在输入、输出端的信号调节回路中滤除噪声。模拟芯片的所有馈电管脚都应采用高频滤波器进行去耦；所有从board引出去的走线上都应采用高频滤波；电压参考位如果没有接地，都应采用高频滤波。10实际的低通滤波器在高频时会出现问题，由于寄生电容的影响电感会失去作用，由于寄生电感的影响电容会失去作用。有一种粗略的经验公式：对于传统的低通滤波器（由单一的电容和电感组成），当面对的信号频率比滤波器的截止频率高出100到1000倍的时候，滤波作用就基本失效了。例如，当信号频率高于1MHz时，10KHz的LPF的滤波作用就大打折扣。因此建议将干扰信号的频率段划分成低、中、高三个部分，对每个频段分别使用独立的滤波，三个滤波器并联。利用屏蔽电缆输入/输出的时候，高频滤波应靠近屏蔽点以确保没有电磁泄漏，这种做法通常称为馈电保护。如果实际应用中不需要对输入/输出进行屏蔽，则应将高频滤波器尽可能地放置在靠近模拟回路的位置——尽量防止从回路的其他部分耦合进高频干扰。另外还有一种滤波器失效的情况。当存在接地阻抗的时候（例如，滤波器通过连接一条长导线或长窄轨线接地的时候），高频噪声会经这条阻抗路径通过滤波器。所以