电容在电路设计中具有诸多重要作用,包括但不限于以下几点:
滤波:电容可以滤除电源中的交流成分,使直流电源更加稳定和纯净,减少电源噪声对电路的影响。
耦合:在交流信号传输中,允许交流信号通过,同时隔断直流成分,以实现前后级电路的信号传递。
旁路:将电路中的高频噪声或干扰信号旁路到地,降低对主电路的干扰。
定时:与电阻配合使用,构成 RC 定时电路,控制电路的时间常数。
储能:在电源瞬间断电或电压波动时,释放储存的电能,维持电路的正常工作。
改善功率因数:在交流电路中,补偿无功功率,提高电源的利用效率。
去耦:消除集成电路芯片电源上的噪声,防止不同芯片之间通过电源相互干扰。
总之,电容在电路设计中是非常重要的元件,合理地选择和使用电容可以显著提高电路的性能和稳定性。
设计误区一:电容越大越好
其实不然。最佳滤波频段主要是根据电容的谐振频点来决定的。电容在谐振频率点处有最佳的滤波效果!每个电容有一定的滤波频段,大电容滤低频,小电容滤高频。
电容滤波的范围取决于电容的容值和电路的需求。
一般来说,电容滤波器适用于频率较低的信号滤波,通常在几十Hz到数百KHz之间。对于不同的频率范围,可以选用不同容值的电容来进行滤波。例如,10uF的电容适用于1000Hz以下的滤波,1uF适用于1K到10KHz之间的滤波,而0.1uF则适用于10K到100KHz之间的滤波.
通常我们建议:
1.在电源端口增加UF级别电容来滤波几百 KHZ到5MHZ之间的差模干扰。原因:UF级别电容谐振点在1MHZ左右。
2.另外建议加在高频数字电路上我们建议加1nF贴片电容。
原因:1nf电容的谐振频率在100MHZ之间,不同厂家谐振频点有所不同,这样比较好滤波几十MHZ到200MHZ干扰,有利与EMI问题解决!
设计误区二:电容越多越好
其实不然。因为在实际的PCB设计中,由于BGA封装形式的存在,并不能做到每个电源管脚分配一个电容。解决方法:并联使用一些较小的大电容和较大的小电容;这是因为电容并联的频率特性:
当n个相同容值的电容并联使用时,等效电容C变为nC,等效电容Ls变为Ls/n,等效电阻Rs 变为Rs/n,但谐振频率不变。
当n个不同容值的电容并联使用时,因为每个电容的谐振频 率不同,当工作频率处于最低谐振频率和最高谐振频率之间时,一些电容表现为容性,另外一些表现为感性,形成了一个LC并联谐振电路。
当处于谐振状态时,电容和电感之间进行周期性的能量交换,以至流经电源层的电流非常小,电源层表现为高阻抗状态,形成反谐振形现象,并且电容Q值越大,反谐振的振幅就越大。
设计误区三:电容地端并孔
电容选好了,不代表就能滤除干扰!
河水泛滥,到达高水位,这时我们往往会增加一条沟渠引流,那么引到的地方必须是一个低水位的,如果引到一个高水位的水库的话,反而会引起水倒灌,抬高水位。
电容滤波与治水问题是一样得,电容只是起到一个沟渠得作用,能否滤波还取决与电容接的地上干扰的大小。
我们经常发现工程师解决干扰问题加电容没有效果,有很大程度是地上干扰本身很大!反而把地上干扰引到信号或电源上来!
大家需要注意,地干扰在有些情况小并不是最小的!
所以我们强调滤波有一个重要的基础,就是所接的地要干扰小,就是通常说的“静地”。
所以说,我们采取电容滤波时要达到滤波效果,必须选取合适的电容以及接干扰比较小的地!电容可以根据器件手册与经验,干扰小的地可以在调试时采取仪器方法,有经验工程师在前期原理图以及PCB时要考虑。
高速PCB布线对电容处理措施:
减小电容引线/引脚的长度;
2.使用宽的连线;
3.电容尽量靠近器件,并直接和电源管脚相连;
4.使用表贴型电容,降低电容的高度;
5.电容之间不要共用过孔,可以考虑打多个过孔接电源/地;
6.电容的过孔要尽量靠近焊盘;
7.去耦电容放置:大电容,小电容
一般大电容均匀分布在芯片周围,谐振频率低,滤波半径大;
小电容要尽量靠近芯片管脚放置,因为小电容谐振频率高,滤波半径小,如果放的远就失去了去耦的作用。