为什么芯片电源引脚要加100nF电容?什么是安规电容?

百科   2024-11-24 09:30   北京  

一、为什么芯片电源引脚要加一个100nF电容?

这个去耦电容的作用有几个方面:

1.滤除电源上的高频噪声。电路中给芯片供电的电源平面一般都有很多高频的噪声,为了使芯片的输入电源干净,所以一般在芯片电源引脚加一个电容滤除电源中的高频噪声。

2.储能,当负载需要瞬时电流时,电容率先为其提供电流,减小电源产生的波动

3.给高频信号提供最近的低阻抗回流路径,减少对其它芯片电源的干扰。电流永远是闭合的,从哪里来,就要回到哪里去,不管是电流或者位移电流的形式,高频信号回流选择感抗最低的路径。

看下电容的等效模型,可看成一个电感,电容然后还有电阻的串联,ESL称为等效电感,ESR称为等效电阻,C为电容的理想容值。

等效的阻抗Z=ESR+jwl+1/jwc,其中w=2πf

那么,就有那么一个频率f=f0,使得Z=ESR,这时电容就相当于一个纯电阻,整个电容这时阻抗最小,这个频率f0我们称为电容的谐振频率。当信号频率小于f0时电容呈现容性,电容等效于一个电阻和电容的串联;当信号频率大于f0时电容呈现感性。电容当作高频滤波或回路时,应该工作在容性的条件下,因为电感对高频信号具有阻碍作用;也就是信号的频率应当小于电容的谐振频率。


下面我们来看下某厂商贴片陶瓷电容ESR随频率的变化曲线:

这个是10nF的,最低点就是谐振频率点的ESR,小于谐振频率电容呈容性,大于谐振频率电容呈感性。从图中可以看到这个10nF电容的谐振频率大概是60MHz;

这个是100nF的,谐振频率大概是15MHz

这个是1uF的

因为我们常用的数字芯片其信号频率基本都在10MHz以下,电源上的干扰或者其自身产生的干扰信号也大概在这个范围,所以我们的常用的经验值一般用100nF的电容,如果器件信号频率比较高我们可以选择容值小点的电容。


电容容值与频率,我们可以参考下面的:

频率范围

推荐容值

DC-100K

10uF以上电容

100K-10M

100nF电容

10M-100M

10nF电容

>100M

1nF电容

电容放置的要求:

1.尽可能靠近芯片电源引脚;

2.尽量每个电源芯片引脚都有;

3.根据芯片的信号频率修改电容的容值,多电容并联时,容值小的越靠近芯片

二、去耦电容的“滤波半径”

现在稍有经验的layout工程师都知道在BGA里面不同封装的去耦电容从小到大应该按下图这样放置:从小电容到大电容采取从近到远的方式。

具有SI、PI知识的工程师会说这样有利于改善电源PDN系统的性能,理论上是电容都应该离芯片引脚越近放置越好,尤其是小电容,比大电容更应该靠近芯片端。为什么呢?专业用语叫小电容的去耦半径更小。所谓去耦半径,无非是研究噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片电流发生变化时,会在电源平面的一个局部区域内产生电压波动,由于信号在介质中传播需要一定的时间,因此从局部电压波动到电容感知到这一波动之间有一个时间延迟。同样,电容的补偿电流到达波动区域也需要一个延迟,因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。从应用来说,就是每个电容在与它的自谐振频率f(波长为λ)相同频率下的噪声补偿效果最好,相位差越小越好,λ/4时电容失效,出现反谐振。在实际应用中,我们一般取小于λ/50比较稳妥。


三、为什么运放电路一般都会加这几个电容,到底有啥用?

1.电源VCC接地线的电容C1:这个电容主要就是起个滤波的作用,让我们的电源网络更干净一些,抑制干扰信号。选择值的话,一般是选103、104或105;主要就是看运放工作时的频率,通常频率高的时候,电容就会选小一点,反过来就是容量大的。

2.反馈的输入输出引脚之间C2:

这个电容有两个作用:1)频率上的补偿作用,补足输入电容带来的响应速度慢的问题,阻止运放自己瞎颤。2)滤波,过滤掉高频的干扰信号,防止影响后边儿的电路。选择值的话,通常就是几十pF的水平。

3.正负两个输入端之间的那个电容C3:这个电容的作用是抗干扰。打个比方,假设同相输入端一下子来了一个很强的干扰信号,那么同相输入端的电压会高于反相输入端,输出端马上就会出现一个骚扰信号,但只要有电容在,输出端就能迅速通过电容反馈给反相输入端,这是因为电容两端的电压不能瞬间乱变,因此这个信号就能完整地加到反相输入端,这两个正负输入端就能相互抵消了。选择值的话,一般就是几pF到几十pF


四、50V的μF级MLCC电容在24V/28V工况下应用为什么容易发生短路?

平板电容的计算公式如下:

ε是介电常数,S是极板的相对面积,d是极板之间间距,4πk是常数。要想获得大容值的电容,则ε↑、S↑、d↓均可。但从MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors)的名字中就可以看出来,介质为陶瓷,ε已经不能变了。只能在S、d上做文章了。于是,电容厂家有了一个办法,设计出了层叠式结构(下图):

这样的话,平板电容里的两个极板各只有一面能发挥作用,S有了较大浪费;而采用MLCC的层叠式结构,每个极板的两面几乎全能用上,则计算公式中的S增大到了近2倍;而且,通过减小极板间距,C值会变大;极板间距小了还可以多增加几层,就增大了极板面积,也会使容值增大。但是,极板间距小了,E=U/d,d变得很小,即使极板间电压稍稍增加一点点,则E岂不是会增大很多,陶瓷介质变得很薄,容易被变大的E击穿。


因此,得出一个结论:大容值的MLCC电容,耐电压击穿电压波动能力其实是比较弱的,再加之电容生产过程的陶瓷介质片的厚度一致性难控制问题,电压波动、上电浪涌电压等场合下,MLCC电容被击穿也就在所难免了。


解决办法:大容值的MLCC电容选择封装尽量大一点,间距可以做大点,耐电压波动能力强一点;用多个小容值高耐压MLCC电容并联实现大电容高耐压的应用。


五、为什么220V电路板有安规电容?

只要是接有220V的电路板,一般都会看见安规电容的存在。

安规电容可细分为X电容和Y电容;X电容本质就是聚酯电容,Y电容本质就是瓷片电容。安规电容的作用是滤除高频干扰(这些干扰可能来自雷电产生的干扰或插拔产生的干扰):X电容是接在火线和零线之间;Y电容分别是接在火线和地线之间、零线和地线之间。可以看出,X电容在电路中起到差模干扰的作用,而Y电容起到共模干扰的作用。

X电容不能替代Y电容,因为Y电容的耐压值比X电容大。


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