Progettazione PCB - Il ruolo dei condensatori PCB nella progettazione PCB

I condensatori PCB sono componenti elettronici passivi utilizzati nei circuiti stampati (PCB) che vengono utilizzati principalmente per memorizzare una carica elettrica e rilasciarla in un circuito. Di solito sono costituiti da due piastre conduttive e uno strato di mezzo isolante, una costruzione che consente al condensatore di immagazzinare energia elettrica e rilasciarla quando necessario.

Un condensatore dovrebbe effettivamente essere composto da sei parti. Oltre alla sua capacità C,si compone delle seguenti parti.

1. Resistenza di serie equivalente ESR RESR: La resistenza di serie equivalente di un condensatore consiste nella resistenza del perno del condensatore e della resistenza equivalente delle due piastre polari del condensatore in serie. Il RESR provoca il condensatore a dissipare l'energia (e quindi causare perdite) quando una grande corrente CA scorre attraverso di esso. Ciò può avere gravi conseguenze per i circuiti RF con alte correnti di ripple e condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica. I condensatori con il RESR più basso sono condensatori di mica e condensatori di film, ma non hanno molto effetto sui circuiti analogici a piccolo segnale ad alta impedenza di precisione.

2. Induttanza di serie equivalente ESL LESL: L'induttanza di serie equivalente di un condensatore consiste nell'induttanza del perno del condensatore e l'induttanza equivalente delle due piastre polari del condensatore in serie. Come RESR, LESL può essere un problema serio in RF o ambienti operativi ad alta frequenza, anche se i circuiti di precisione stessi funzionano bene in DC o condizioni a bassa frequenza. La ragione di questo è che i transistor utilizzati nei circuiti analogici di precisione hanno guadagno anche quando la frequenza di salto si estende a centinaia di megahertz o gigahertz, consentendo l'amplificazione di bassa induttanza dei segnali risonanti. Questo è il motivo principale per cui il lato di alimentazione del circuito dovrebbe essere correttamente disaccoppiato alle alte frequenze.

3.Equivalent resistenza parallela EPR RL è quello che di solito chiamiamo resistenza capacitiva di perdita. RL è un parametro importante nelle applicazioni di accoppiamento CA, applicazioni di storage (ad esempio integratori analogici e supporti di campioni) e quando si utilizzano condensatori in circuiti ad alta impedenza. La carica in un condensatore ideale dovrebbe variare solo con corrente esterna. Tuttavia, RL in un condensatore effettivo fa sì che la carica perda lentamente ad una velocità determinata dalla costante di tempo RC.

4.Two parametri, RDA e CDA, sono anche parametri di distribuzione della capacità, ma hanno poco effetto nelle applicazioni pratiche e non sono descritti qui. Quindi ci sono tre parametri importanti di distribuzione della capacità: ESR, ESL e EPR. I più importanti di questi sono ESR e ESL. Infatti, solo il modello semplificato RLC viene utilizzato per analizzare il modello di capacità, cioè analizzando la capacità in termini di C, ESR ed ESL.

5.Based sull'introduzione del modello dettagliato, parliamo dei due tipi di condensatori che sono spesso utilizzati nei nostri disegni.

6. Condensatori elettrolitici (ad esempio, condensatori elettrolitici di tantalio e alluminio) hanno grandi capacità. Non sono adatti per lo stoccaggio e l'accoppiamento a causa della loro bassa resistenza di isolamento, vale a dire la piccola resistenza parallela equivalente EPR e l'alta corrente di perdita (valore tipico 520 na/μ f). I condensatori elettrolitici sono più adatti come condensatori bypass per gli alimentatori per stabilizzarli. I condensatori più adatti per l'accoppiamento AC e lo stoccaggio di carica sono condensatori in PTFE e altri condensatori in poliestere (polipropilene, polistirolo, ecc.).

7.condensatori ceramici monolitici sono più adatti per i condensatori di disaccoppiamento del circuito ad alta frequenza, perché la sua induttanza di serie equivalente è molto bassa, cioè, l'induttanza di serie equivalente ESL è molto piccola e la banda di disaccoppiamento è molto ampia. Questo ha molto a che fare con la sua struttura. I condensatori ceramici monolitici sono costituiti da più strati di film metallici e ceramici che sono disposti in parallelo con la barra dell'autobus piuttosto che avvolti in serie.

Il ruolo dei condensatori nel pcb

1. Ruolo di accoppiamento

I condensatori nella scheda PCB sono principalmente responsabili del ruolo di accoppiamento del segnale, specialmente nella trasmissione del segnale a bassa frequenza. Attraverso la capacità di accoppiamento, i segnali a bassa frequenza possono essere trasmessi efficacemente tra i circuiti, per impedire il lavoro statico del circuito prima e dopo l'interferenza reciproca.

2.Filtrazione

Il filtraggio è una delle funzioni molto importanti dei condensatori nel circuito. I condensatori possono sopprimere i segnali ad alta frequenza indesiderati, come filtro sulla linea di alimentazione o sulla linea di segnale, in modo che l'uscita di potenza sia più stabile. I condensatori di grande capacità sono solitamente responsabili del filtraggio a bassa frequenza, mentre i condensatori di piccola capacità sono utilizzati per il filtraggio ad alta frequenza per ottenere la migliore qualità del segnale.

3. disaccoppiamento

La funzione principale dei condensatori di disaccoppiamento è quella di fornire un percorso di potenza a bassa impedenza per i circuiti integrati (IC) per eliminare il rumore nel sistema di alimentazione, garantendo così la stabilità del circuito. Questi condensatori di solito devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione del IC che servono per ridurre al minimo l'induttanza e l'impedenza.

4. Stoccaggio di energia

Lo scopo principale di un condensatore di accumulo di energia è quello di fornire rapidamente la potenza necessaria quando il circuito è alimentato. I condensatori di accumulo di energia di solito hanno un grande valore di capacità, possono tamponare le fluttuazioni di tensione nell'aumento improvviso della domanda di energia, in modo da garantire la stabilità dell'alimentazione elettrica. Nella progettazione, il layout del condensatore di archiviazione dovrebbe anche considerare la posizione relativa al carico per garantire la sua efficienza.

5. Filtrazione del rumore

I condensatori bypass sono spesso utilizzati per bypassare il rumore ad alta frequenza, assicurando che quando il segnale è amplificato, solo i segnali a bassa frequenza raggiungono il livello successivo del circuito. Questo è fondamentale per migliorare l'integrità del segnale del circuito.

6. Importanza del layout

Il layout dei condensatori su un PCB ha un impatto diretto sulle prestazioni del circuito. Un layout adeguato non solo riduce le interferenze del segnale, ma migliora anche l'integrità dell'alimentazione elettrica. I condensatori dovrebbero essere posizionati nel percorso corrente per quanto possibile per garantire che dia pieno gioco alle funzioni di filtraggio e disaccoppiamento

Come scegliere il condensatore giusto quando si progetta un PCB?

1. Determinare i requisiti di applicazione

Prima di scegliere il condensatore giusto, è necessario prima definire l'applicazione specifica del condensatore nel circuito. Ad esempio, i condensatori possono essere utilizzati per diverse funzioni come filtraggio, disaccoppiamento, accoppiamento o accumulo di energia. Diversi tipi di condensatori sono adatti per scopi diversi, come i condensatori di disaccoppiamento sono utilizzati principalmente per filtrare il rumore ad alta frequenza nell'alimentazione elettrica, mentre i condensatori filtranti sono utilizzati per la stabilità del sistema di alimentazione e la soppressione del rumore.

2. Considerare il tipo di condensatore

La selezione dei condensatori dovrebbe essere basata sulla necessità effettiva del tipo da determinare. I tipi comuni di condensatori includono condensatori elettrolitici in alluminio, condensatori ceramici e condensatori al tantalio. I condensatori elettrolitici in alluminio sono adatti per bypass di potenza ad alta capacità e bassa frequenza, mentre i condensatori ceramici sono adatti per circuiti di disaccoppiamento ad alta frequenza a causa della loro bassa induttanza di serie equivalente.

3. Selezione in base alla capacità e al livello di tensione

La scelta corretta del valore di capacità è cruciale, la capacità del condensatore dovrebbe essere in grado di soddisfare i requisiti del circuito, mentre la sua tensione nominale deve essere superiore alla tensione di esercizio più alta nel circuito. Assicurarsi che ci sia margine di tensione sufficiente per evitare l'attivazione di guasti del condensatore in condizioni operative.

4.Considerare i fattori ambientali

Fattori quali temperatura, umidità e vibrazione dell'ambiente in cui vengono utilizzati possono anche influenzare la selezione dei condensatori. Alcuni tipi di condensatori funzionano male ad alte temperature o in ambienti estremi, quindi dovrebbero essere selezionati condensatori adatti allo specifico ambiente operativo.

5.Frequency Response and ESR

Nella progettazione di circuiti ad alta frequenza, è necessario prestare attenzione alle caratteristiche di frequenza dei condensatori e resistenza di serie equivalente (ESR). La selezione di condensatori con ESR inferiore aiuta a migliorare le prestazioni del circuito, specialmente nel caso di cambi rapidi del segnale, ESR basso può ridurre la perdita di potenza e la generazione di calore.

6. Tipo di pacchetto e layout

Il tipo di confezione del condensatore può influire sul layout della scheda e sulla densità dei componenti elettronici. Pertanto, è necessario scegliere un modulo di pacchetto adatto per la progettazione PCB. Un layout adeguato assicura che i condensatori possano essere collegati al circuito in modo ottimale per ridurre al minimo le interferenze e migliorare le prestazioni.

I condensatori PCB svolgono un ruolo vitale nei circuiti stampati (PCB), assumendo molteplici funzioni come accoppiamento, filtraggio, disaccoppiamento, accumulo di energia e filtraggio del rumore. La scelta dei condensatori giusti non solo migliora la stabilità del circuito e l'integrità del segnale, ma ottimizza anche le prestazioni del circuito in diverse condizioni operative.