Elektronisches Design - Die Rolle von PCB Kondensatoren im PCB Design

PCB-Kondensatoren sind passive elektronische Komponenten, die in Leiterplatten (PCB) verwendet werden, die hauptsächlich verwendet werden, um eine elektrische Ladung zu speichern und in einer Schaltung abzugeben. Sie bestehen normalerweise aus zwei leitfähigen Platten und einer Schicht aus Isoliermedium, einer Konstruktion, die es dem Kondensator ermöglicht, elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf freizugeben.

Ein Kondensator sollte eigentlich aus sechs Teilen bestehen. Zusätzlich zu seiner eigenen Kapazität C besteht es aus den folgenden Teilen.

1.Equivalent Reihenwiderstand ESR RESR: Der äquivalente Reihenwiderstand eines Kondensators besteht aus dem Stiftwiderstand des Kondensators und dem äquivalenten Widerstand der beiden Polplatten des Kondensators in Reihe. RESR bewirkt, dass der Kondensator Energie ableitet (und damit Verluste verursacht), wenn ein großer Wechselstrom durch ihn fließt. Dies kann schwerwiegende Folgen für HF-Schaltungen mit hohen Rippelströmen und Netzteilentkopplungskondensatoren haben. Die Kondensatoren mit dem niedrigsten RESR sind Glimmerkondensatoren und Filmkondensatoren, aber sie haben keinen großen Einfluss auf präzise hochohmige Kleinsignal-Analogschaltungen.

2.Equivalent Reiheninduktivität ESL LESL: Die äquivalente Reiheninduktivität eines Kondensators besteht aus der Pin-Induktivität des Kondensators und der äquivalenten Induktivität der zwei Polplatten des Kondensators in Reihe. Wie RESR kann LESL in HF- oder Hochfrequenzbetriebsumgebungen ein ernsthaftes Problem darstellen, obwohl die Präzisionsschaltungen selbst unter Gleichstrom- oder Niederfrequenzbedingungen einwandfrei funktionieren. Der Grund dafür ist, dass die Transistoren, die in analogen Präzisionsschaltungen verwendet werden, auch dann Verstärkung haben, wenn sich die Hopping-Frequenz auf Hunderte von Megahertz oder Gigahertz erstreckt, was eine niedrige Induktivität der Resonanzsignale ermöglicht. Dies ist der Hauptgrund, warum die Stromversorgungsseite des Schaltkreises bei hohen Frequenzen ordnungsgemäß entkoppelt werden sollte.

3.Equivalent paralleler Widerstand EPR RL ist, was wir normalerweise kapazitiven Leckagewiderstand nennen. RL ist ein wichtiger Parameter in AC-Kopplungsanwendungen, Speicheranwendungen (z.B. analoge Integratoren und Probenhalter) und beim Einsatz von Kondensatoren in hochohmigen Schaltkreisen. Die Ladung in einem idealen Kondensator sollte nur mit externem Strom variieren. RL in einem tatsächlichen Kondensator bewirkt jedoch, dass die Ladung langsam mit einer Geschwindigkeit ausläuft, die durch die RC-Zeitkonstante bestimmt wird.

4.Two Parameter, RDA und CDA, sind auch Kapazitätsverteilungsparameter, aber sie haben wenig Wirkung in praktischen Anwendungen und werden hier nicht beschrieben. Es gibt also drei wichtige Kapazitätsverteilungsparameter: ESR, ESL und EPR. Die wichtigsten davon sind ESR und ESL. Tatsächlich wird nur das RLC vereinfachte Modell zur Analyse des Kapazitätsmodells verwendet, d.h. die Analyse der Kapazität in Bezug auf C, ESR und ESL.

5.Basierend auf der Einführung des detaillierten Modells sprechen wir über die beiden Arten von Kondensatoren, die oft in unseren Entwürfen verwendet werden.

6.Elektrolytkondensatoren (z.B. Tantal- und Aluminiumelektrolytkondensatoren) haben große Kapazitäten. Sie sind aufgrund ihres geringen Isolationswiderstands, d.h. geringen äquivalenten Parallelwiderstands EPR und hohen Leckstroms (typischer Wert 520 na/μ f) nicht für Lagerung und Kopplung geeignet. Elektrolytkondensatoren eignen sich besser als Bypass-Kondensatoren für Netzteile, um sie zu stabilisieren. Die am besten geeigneten Kondensatoren für Wechselstrom-Kopplung und Ladungsspeicherung sind PTFE-Kondensatoren und andere Polyester-Kondensatoren (Polypropylen, Polystyrol, etc.).

7.monolithic keramische Kondensatoren sind für Hochfrequenzschaltkompensatoren besser geeignet, weil ihre äquivalente Serieninduktivität sehr niedrig ist, das heißt, die äquivalente Serieninduktivität ESL ist sehr klein, und das Entkopplungsband ist sehr breit. Das hat viel mit seiner Struktur zu tun. Monolithische Keramikkondensatoren bestehen aus mehreren Schichten Sandwichmetall- und Keramikfolien, die parallel zur Sammelschiene angeordnet sind und nicht in Reihe gewickelt sind.

Die Rolle von Kondensatoren in Leiterplatten

1. Kopplungsrolle

Kondensatoren in der Leiterplatte sind hauptsächlich für die Signalkopplungsrolle verantwortlich, insbesondere bei der niederfrequenten Signalübertragung. Durch die Kopplungskapazität können niederfrequente Signale effektiv zwischen den Schaltungen übertragen werden, um die statische Arbeit der Schaltung vor und nach der gegenseitigen Störung zu verhindern.

2.Filtern

Die Filterung ist eine der sehr wichtigen Funktionen von Kondensatoren in der Schaltung. Kondensatoren können unerwünschte Hochfrequenzsignale unterdrücken, als Filter auf der Stromleitung oder Signalleitung, so dass die Leistungsausgabe stabiler ist. Kondensatoren mit großer Kapazität sind normalerweise für die Niederfrequenzfilterung verantwortlich, während Kondensatoren mit geringer Kapazität für die Hochfrequenzfilterung verwendet werden, um die beste Signalqualität zu erzielen.

3. Entkopplung

Die Hauptfunktion von Entkopplungskondensatoren besteht darin, einen niederohmigen Strompfad für integrierte Schaltungen (ICs) bereitzustellen, um Rauschen im Stromversorgungssystem zu beseitigen und so die Schaltungsstabilität zu gewährleisten. Diese Kondensatoren müssen normalerweise so nah wie möglich an den Stromversorgungspins des IC platziert werden, um Induktivität und Impedanz zu minimieren.

4. Energiespeicherung

Der Hauptzweck eines Energiespeicherkondensators besteht darin, schnell die benötigte Energie bereitzustellen, wenn der Stromkreis mit Strom versorgt wird. Energiespeicherkondensatoren haben normalerweise einen großen Kapazitätswert, können Spannungsschwankungen bei der plötzlichen Zunahme des Strombedarfs puffern, um die Stabilität der Stromversorgung sicherzustellen. Bei der Konstruktion sollte das Layout des Speicherkondensators auch die relative Position zur Last berücksichtigen, um seine Effizienz zu gewährleisten.

5. Rauschfilterung

Kondensatoren können durch die Bypass-Schaltung der Interferenzsignalfilterung realisiert werden. Bypass-Kondensatoren werden häufig verwendet, um hochfrequentes Rauschen zu umgehen, um sicherzustellen, dass wenn das Signal verstärkt wird, nur niederfrequente Signale es auf die nächste Ebene der Schaltung schaffen. Dies ist entscheidend für die Verbesserung der Signalintegrität der Schaltung.

6. Bedeutung des Layouts

Das Layout von Kondensatoren auf einer Leiterplatte hat einen direkten Einfluss auf die Schaltungsleistung. Ein richtiges Layout reduziert nicht nur Signalstörungen, sondern verbessert auch die Integrität der Stromversorgung. Kondensatoren sollten so weit wie möglich im Strompfad platziert werden, um sicherzustellen, dass die Filter- und Entkopplungsfunktionen voll ausgelastet werden.

Wie wählt man den richtigen Kondensator beim Design einer Leiterplatte?

1. Festlegung der Anwendungsanforderungen

Bevor Sie den richtigen Kondensator auswählen, müssen Sie zunächst die spezifische Anwendung des Kondensators in der Schaltung definieren. Kondensatoren können beispielsweise für verschiedene Funktionen wie Filtern, Entkopplung, Kopplung oder Energiespeichern eingesetzt werden. Verschiedene Arten von Kondensatoren eignen sich für verschiedene Zwecke, wie Entkopplungskondensatoren werden hauptsächlich verwendet, um hochfrequentes Rauschen in der Stromversorgung herauszufiltern, während Filterkondensatoren für die Stabilität des Stromsystems und die Rauschunterdrückung verwendet werden.

2. Betrachten Sie die Art des Kondensators

Die Auswahl der Kondensatoren sollte auf dem tatsächlichen Bedarf für den Typ basieren, der ermittelt werden soll. Allgemeine Arten von Kondensatoren umfassen Aluminium-Elektrolytkondensatoren, Keramikkondensatoren und Tantalkondensatoren. Aluminium-Elektrolytkondensatoren eignen sich für Hochleistungs-Niederfrequenz-Leistungsbypass, während Keramikkondensatoren aufgrund ihrer niedrigen äquivalenten Serieninduktivität für Hochfrequenz-Entkopplungsschaltungen geeignet sind.

3. Auswahl entsprechend Kapazität und Spannungspegel

Die richtige Wahl des Kapazitätswertes ist entscheidend, die Kondensatorkapazität sollte in der Lage sein, die Schaltungsanforderungen zu erfüllen, während seine Nennspannung höher als die höchste Betriebsspannung in der Schaltung sein muss. Stellen Sie sicher, dass genügend Spannungsspanne vorhanden ist, um einen Kondensator-Ausfall unter Betriebsbedingungen auszulösen.

4.Berücksichtigen Sie Umweltfaktoren

Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration der Umgebung, in der sie verwendet werden, können auch die Auswahl der Kondensatoren beeinflussen. Bestimmte Arten von Kondensatoren funktionieren schlecht bei hohen Temperaturen oder in extremen Umgebungen, so dass Kondensatoren, die für die spezifische Betriebsumgebung geeignet sind, ausgewählt werden sollten.

5.Frequency Response und ESR

Bei der Konstruktion von Hochfrequenzschaltungen müssen Sie auf die Frequenzcharakteristik von Kondensatoren und den äquivalenten Reihenwiderstand (ESR) achten. Die Auswahl von Kondensatoren mit niedrigerem ESR hilft, die Schaltungsleistung zu verbessern, insbesondere im Fall von schnellen Signaländerungen, niedrige ESR kann Leistungsverlust und Wärmeerzeugung reduzieren.

6.Package Typ und Layout

Der Gehäusetyp des Kondensators kann das Layout der Platine und die Dichte elektronischer Komponenten beeinflussen. Daher ist es notwendig, eine Verpackungsform zu wählen, die für das PCB-Design geeignet ist. Ein richtiges Layout stellt sicher, dass die Kondensatoren optimal an die Schaltung angeschlossen werden können, um Störungen zu minimieren und die Leistung zu verbessern.

PCB-Kondensatoren spielen eine wichtige Rolle in Leiterplatten (PCB) und übernehmen mehrere Funktionen wie Kopplung, Filterung, Entkopplung, Energiespeicherung und Rauschfilterung. Die Wahl der richtigen Kondensatoren verbessert nicht nur die Schaltungsstabilität und Signalintegrität, sondern optimiert auch die Schaltungsleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen.