去耦电容器:什么尺寸和多少?


62

如今,许多芯片都需要在VCC和GND之间使用平滑电容器才能正常工作。鉴于我的项目在各种不同的电压和电流水平下运行,我想知道是否有人对a)多少和b)应该使用什么尺寸的电容器以确保电源纹波不会影响我有任何经验法则?电路?


4
整流后,平滑电容器就是您在电源中使用的电容器,可消除大部分纹波。您在说的是去耦电容器。
stevenvh 2012年

我有一个与问题有关的问题(对劫持表示抱歉),因为陶瓷电容器对于去耦电容是否同样适用?

Answers:


40

您还需要添加几个其他问题-(c)应该使用哪种电介质,以及(d)在布局中应在哪里放置电容器。

数量和大小因应用程序而异。对于电源组件,ESR(有效串联电阻)是关键组件。例如,MC33269 LDO数据表列出了0.2Ohms至10Ohms的ESR建议。稳定所需的ESR最少。

对于大多数逻辑IC和运算放大器,我使用0.1uF陶瓷电容器。我将电容器放置在非常靠近IC的位置,以便从电容器引线到地的路径非常短。我使用广泛的接地层和电源层来提供低阻抗路径。

对于电源和大电流组件,每种应用都是不同的。我遵循制造商的建议,并将电容器非常靠近IC放置。

为了对进入电路板的电源输入进行大容量滤波,我通常使用10uF陶瓷X7R电容器。同样,这取决于应用程序。

除非对稳定性有最低ESR要求,或者我需要非常大的电容值,否则我将使用X7R或X5R电介质。电容随电压和温度变化。目前,获得负担得起的10uF陶瓷电容器并不困难。您无需过度指定陶瓷电容器的额定电压。在额定电压下,电容在容差范围内。除非您将电压增加到高于绝缘击穿电压,否则您只会损失电容。通常,介电强度是额定电压的2至3倍。

有一个很好的应用笔记有关接地和去耦由保罗·布罗考所谓的“IC放大器用户指南耦,接地,。并让事情向右走一变”。


14

我的数字电路使用以下经验法则:

每对电源引脚都应使用其X7R陶瓷100nF电容器。它应尽可能靠近引脚。最好的方法是,电源线在到达引脚之前先经过电容器,但是在大多数情况下,这不是必需的。

IC上的电容器与PSU的纹波无关。它们是去耦所需的,即满足各个IC电源电流的快速变化。从电源到IC的引线比较长,并且具有一定的电感,从而阻止了电流的快速变化。然后,IC上的电源电压可能会超出范围,并且IC可能会虚假地发生故障,或者在极端情况下会损坏。

稳压器的输入和输出应根据其数据手册获得一个电容器,尤其是具有正确的等效串联电阻(ESR)值的电容器。如果操作不正确,则稳压器可能会振荡,特别是对于低压差稳压器(LDO)。

对于模拟电路,X7R可能不是正确的材料,因为它具有相对较大的压电效应。也就是说,机械振动会引起电压变化,反之亦然。在这方面,C0G更好。尽管此警告主要适用于信号路径。


“电源的输出通常应装有一个10pF电容器。请检查电压调节器数据手册的数据手册以获取所需的ESR值,如果这样做不正确,则稳压器可能会振荡。” 是否可以减少PSU的波动?您能解释“正确”的做法吗?
MikeTeX

我对问题做了一些编辑,反映了我五年后的理解。
starblue

这是我第一次听说压电效应会影响电容器!谢谢。
not2qubit

是唱歌帽的TDK文件。
not2qubit

9

就像我在评论中说的那样,您可能是说去耦电容器,而不是平滑电容器。

去耦电容器的目的不是要消除电源的纹波,而是要捕捉毛刺。例如,当成千上万个晶体管同时切换时,IC可能在短时间内需要大量额外的电流。PCB走线的电感可能会阻止电源快速提供这种电感。因此,将去耦电容器用作本地能量缓冲器以克服这一问题。

这意味着要计算电容器应具有的值并不容易。该值取决于PCB走线的电感以及IC专家在电源上产生的峰值电流。大多数工程师会将100nF X7R电容器放置在尽可能靠近 IC电源引脚的位置。每个电源引脚一个电容器。良好的IC引脚排列将在每个电源引脚旁边都有一个接地引脚,因此您可以使环路尽可能短。

对于低功率IC,10nF电容器就足够了,并且由于其较低的内部电感,可能比100nF更好。因此,您还会发现与100nF并联的10nF。在这种情况下,较小的电容器应最靠近引脚。


1
如另一个答案[ electronics.stackexchange.com/questions/25280/…中所示,相同封装尺寸的较低价值上限电感值不会非常低。但是,如果您使用较小的封装以获得较低的电感,则可能不得不使用较小的电容值来获得所需的WV。
Photon

就在几年前,0402中的0.1 uF仍然有些奇特,价格昂贵且可靠性低。在那些日子里,0.01uF的0402与0603中的0.1uF并联是一种非常常见的配置。正如几个答案所建议的那样,现在0402中的0.1 uF是成熟的技术,也是逻辑电路去耦的广泛使用的标准。
Photon

1
另外,在选择电容器时,我还会添加一些要考虑的事项:被去耦的芯片吸收的瞬态电流的频率范围是多少?以及该芯片和电路中其他芯片对电压纹波的敏感度。
Photon

8

X7R(甚至更多的Y5V)制成的电容器具有很大的容量/电压依赖性。您可以通过ttp://ds.murata.co.jp/software/simsurfing/en-us/在优秀的村田产品在线特征浏览器(Simsurfing)中进行检查。

陶瓷电容器的电压依赖性令人震惊。X7R电容器在额定电压下的额定容量通常不超过30%。例如,额定电压为16V的10uF村田电容器GRM21BR61C106KE15(0805封装,X5R)在25℃的温度下施加12V直流电时,其电容仅为2.3uF。在这方面,Y5V差得多。

为了获得接近10uF的容量,您必须使用25V额定GRM32DR71E106K(1210外壳,X7R),在相同条件下可提供7.5uF。

除了直流电压(和温度)依赖性外,实际的“陶瓷片状电容器”在用作电源去耦旁路时具有很强的频率依赖性。村田制作所的网站提供了其电容器的| Z |,R和X频率依赖性曲线图,浏览这些图表可使您深入了解我们称为“电容器”的器件在不同频率下的实际性能。

实际的陶瓷电容器可以用与内部电阻(Resr)和电感(Lesl)串联的理想电容器(C)建模。也存在与C并联的R隔离,但是除非您超过电容器的额定电压,否则对于功率去耦应用而言并不重要。

原理图

模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图

因此,片状陶瓷电容器将仅在特定频率(实际上是实际电容器所处的串行LC轮廓的自谐振)下充当电容器,在此之上它们开始充当电感器。此频率Fres等于sqrt(1 / LC),并由陶瓷成分和电容器几何形状决定-通常,较小的封装具有较高的Fres。此外,电容器具有纯电阻成分(Resr),这主要是由陶瓷损耗引起的并确定电容器可提供的最小阻抗。通常在mili-Ohms范围内。

在实践中,为了实现良好的去耦效果,我使用了3种类型的电容器。

每个集成电路采用1210或1208封装,容量更高,约为10uF,可覆盖10KHz至10MHz,而电源线噪声则小于10-15 mili-Ohm分流器。

然后,在每个IC电源引脚上放两个电容器-一个0806封装的100nF电容,其分流范围为1MHz至40MHz,20 mli-Ohm分流器;另一个0603封装的1nF电容,其分流范围为80MHz至400MHz,分流为30 mili-ohm。这个或多或少覆盖了10KHz至400MHz的范围,以滤除电源线噪声。

对于敏感的电源电路(例如PLL数字电源,尤其是模拟电源),我将铁氧体磁珠(同样,村田制作所提供的特性浏览器)放在100Mhz时额定为100至300欧姆。在敏感和常规电源电路之间分开接地也是一个好主意。因此,IC电源计划的总体轮廓如下所示:每个IC封装10uF C6,每个电源引脚1nF / 100nF C4 / C5:

原理图

模拟该电路

说到布线和放置-电源和地线首先布线到电容器,只有在电容器中,我们通过过孔连接到电源和接地层。1nF电容器靠近IC引脚放置。电容器必须尽可能靠近电源引脚放置,从电容器焊盘到IC焊盘的走线长度不得超过1mm。

PCB上的过孔甚至短走线对我们要处理的频率和电容都构成很大的电感。例如,在1.5mm厚的PCB中直径为0.5mm的通孔从顶层到底层的电感为1.1nH。对于1nF的电容器,其Fres仅等于15MHz。因此,通过通孔连接电容器会使1nF电容器低Resr在高于15MHz的频率下无法使用。实际上,在100MHz时1.1nH电抗高达0.7欧姆。

1mm长,0.2mm宽,电源平面以上0.35mm的走线将具有0.4nH的可比电感-这又使电容器的效率降低,因此试图将电容器走线长度限制为毫米的几分之一,并使其尽可能宽,从而使很有道理。


如何在单个PCB中分离接地?添加另一个PSU?据我了解,即使使用了两个PSU(例如,一个用于为电动机供电,另一个用于IC),也建议将其接地。
伊万·巴拉索夫

您制作了用于电源和模拟地的单独的PCB子平面,然后通过一个跳线连接起来-就像上面图片中的跳线一样(JUMPER 0 Ohm)。模拟和数字电源的相同子平面分隔。如上图(FB)所示,通过铁氧体磁珠馈入模拟功率。仅将模拟线布设在模拟平面上方,将数字线布设在数字平面(电源和接地)上方。正常情况下,假设至少4层PCB。理想情况下,请在接地层上方布线。
vleo '16

这确实是我在该主题上看到的最好的答案之一。谢谢。
not2qubit


4

如果电路要求不是很高,请在周围散布一些100nF X7R电容。如果没有电源层,请将它们靠近一对设备引脚,理想情况下应直接跨接它们。

如果电路在高频下消耗大量功率,则需要设计配电系统(PDS)。 赛灵思对此进行了合理的介绍。关于si-list的讨论也很多。

下一个问题是“有什么好的经验法则来决定我的电路是否要求足够高的去耦设计经验法则?” :)



0

储备电容或平滑电容器的值是电路所需最大电流与稳压器在负载下的恢复时间的乘积...(没有稳压器会立即做出反应)...

在电流需求恒定的电路中,10uF-22uF就足够了...

对于电流需求快速波动的电路,可能需要数百uF的电容器值...

在最近的版本中,电源电压为3.3伏,突然需求为250mA,为了保持稳定性,需要使用470uF的电容器值。

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.