Дизайн PCB - Роль конденсаторов PCB в проектировании PCB

Конденсаторы PCB являются пассивными электронными компонентами, используемыми в печатных платах (PCB), которые в основном используются для хранения заряда и высвобождения заряда в цепи. Они обычно состоят из двух проводящих панелей и слоя изоляционной среды, которая позволяет конденсатору хранить электроэнергию и высвобождать ее при необходимости.

Конденсатор должен состоять из шести частей. В дополнение к своей собственной емкости C, он также состоит из следующих компонентов.

Эквивалентное последовательное сопротивление ESR RESR: Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора состоит из сопротивления штыря конденсатора и эквивалентного сопротивления двух пластин последовательного конденсатора. Когда ток большого переменного тока проходит через RESR, RESR приводит к рассеянию энергии конденсатором (что приводит к потерям). Самыми низкими конденсаторами RESR являются слюдяные конденсаторы и тонкопленочные конденсаторы, но они мало влияют на прецизионные схемы моделирования малых сигналов с высоким сопротивлением.

Эквивалентная последовательная индуктивность ESL LESL: Эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора состоит из индуктивности вывода конденсатора и эквивалентной индуктивности двух пластин последовательного конденсатора. Как и RESR, LESL может быть серьезной проблемой в радиочастотной или высокочастотной рабочей среде, хотя сами прецизионные схемы хорошо работают в условиях постоянного тока или низкой частоты. Причина в том, что даже если скачкообразная перестройки частоты расширяется до сотен МГц или ГГц, транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, имеют усиление, что позволяет низкоиндуктивному усилению резонансных сигналов. Это основная причина, по которой силовая сторона схемы должна быть правильно развязана на высоких частотах.

Эквивалентное параллельное сопротивление EPR RL - это то, что мы обычно называем конденсаторным сопротивлением утечки. RL является важным параметром для приложений связи переменного тока, приложений хранения данных, таких как аналоговые интеграторы и сепараторы образцов, а также при использовании конденсаторов в цепях с высоким сопротивлением. заряд в идеальном конденсаторе должен меняться только с внешним током. Однако RL в реальном конденсаторе приводит к медленной утечке заряда со скоростью, определенной постоянной времени RC.

Параметры RDA и CDA также являются параметрами распределения конденсаторов, но не имеют большого значения для практического применения и не будут повторяться здесь. Таким образом, есть три важных параметра распределения емкостей: ESR, ESL и EPR. Наиболее важными из них являются ESR и ESL. На самом деле, только упрощенная модель RLC используется для анализа конденсаторных моделей, то есть конденсаторов в соответствии с C, ESR и ESL.

Опираясь на подробные модели, давайте поговорим о двух конденсаторах, которые часто используются в нашей конструкции.

6. Электрические конденсаторы (например, танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы) имеют большую емкость. Из - за их низкого изолирующего сопротивления, т.е. малого эквивалентного параллельного сопротивления EPR и тока высокой утечки (типичное значение 520 на / четверть f), они не подходят для хранения и связи. Электролитические конденсаторы лучше подходят в качестве шунтирующих конденсаторов питания для стабилизации их. Наиболее подходящими конденсаторами для связи переменного тока и хранения заряда являются конденсаторы PTFE и другие полиэфирные (полипропиленовые, полистирольные и т.д.) конденсаторы.

Монолитовые керамические конденсаторы лучше подходят для развязывающих конденсаторов высокочастотных цепей, поскольку их эквивалентная индуктивность последовательного соединения очень низкая, т.е. эквивалентная индуктивность последовательного соединения ESL очень мала, а диапазон развязки очень широк. Это очень связано с его структурой. Монолитовые керамические конденсаторы состоят из многослойных металлических и керамических пленок, зажатых посередине, которые расположены параллельно шине, а не последовательно запутываются.

Роль конденсаторов в PCB

1. Связь

Конденсаторы в PCB - панелях в основном отвечают за связь сигналов, особенно при передаче низкочастотных сигналов. Благодаря конденсаторам связи низкочастотные сигналы могут эффективно передаваться между цепями, предотвращая электростатические помехи до и после цепи.

2. Фильтрация

Фильтр является одной из важных функций конденсатора в цепи. Конденсаторы могут подавлять нежелательные высокочастотные сигналы в качестве фильтров для линий электропитания или сигнальных линий, делая выход энергии более стабильным. Конденсаторы большой емкости обычно отвечают за низкочастотный фильтр, в то время как конденсаторы малой емкости используются для высокочастотного фильтра для достижения оптимального качества сигнала.

3. Развязка

Основная функция развязывающих конденсаторов заключается в том, чтобы обеспечить путь питания с низким сопротивлением для интегральных схем (IC), чтобы устранить шум в системе питания и тем самым обеспечить стабильность схемы. Эти конденсаторы обычно должны быть размещены как можно ближе к выводам питания IC, чтобы свести к минимуму индуктивность и сопротивление.

4. Хранение энергии

Основная цель аккумуляторных конденсаторов заключается в том, чтобы быстро обеспечить необходимую мощность при включении схемы. Конденсаторы хранения энергии обычно имеют большую емкость и могут буферизировать колебания напряжения при внезапном увеличении спроса на электроэнергию, тем самым обеспечивая стабильность питания. При проектировании компоновка накопительного конденсатора также должна учитывать относительное положение нагрузки, чтобы обеспечить его эффективность.

5. Шумовая фильтрация

Конденсаторы могут быть реализованы с помощью шунтирующих схем фильтрации сигналов помех. Конденсаторы обхода обычно используются для обхода высокочастотного шума, чтобы гарантировать, что при усилении сигнала только низкочастотный сигнал может войти в следующую ступень схемы. Это важно для повышения целостности сигнала цепи.

6. Важность макета

Конструкция конденсатора на PCB напрямую влияет на производительность схемы. Правильная компоновка не только уменьшает помехи сигнала, но и улучшает целостность питания. Конденсаторы должны быть размещены в пути тока, насколько это возможно, чтобы обеспечить их полную фильтрацию и развязку.

Как выбрать подходящий конденсатор при проектировании PCB?

1. Определение требований к применению

Прежде чем выбрать подходящий конденсатор, сначала нужно определить конкретное применение конденсатора в цепи. Например, конденсаторы могут использоваться для различных функций, таких как фильтрация, развязка, связь или хранение энергии. Различные типы конденсаторов подходят для различных целей, например, развязывающие конденсаторы в основном используются для фильтрации высокочастотного шума в источнике питания, в то время как фильтрующие конденсаторы используются для стабилизации энергосистемы и подавления шума.

Рассмотрим тип конденсатора

Выбор конденсаторов должен определяться исходя из реальных потребностей. Обычные типы конденсаторов включают алюминиевые электролитические конденсаторы, керамические конденсаторы и танталовые конденсаторы. Алюминиевые электролитические конденсаторы подходят для шунтирования большой емкости и низкой частоты мощности, а керамические конденсаторы подходят для высокочастотных развязок из - за их низкой эквивалентной последовательной индуктивности.

Выбор в зависимости от емкости и уровня напряжения

Правильный выбор конденсатора имеет решающее значение, емкость конденсатора должна соответствовать требованиям цепи, а его номинальное напряжение должно быть выше максимального рабочего напряжения в цепи. Убедитесь в достаточном запасе напряжения, чтобы избежать срабатывания конденсатора в эксплуатационных условиях.

4. Учет экологических соображений

Такие факторы, как температура, влажность и вибрация окружающей среды, также влияют на выбор конденсатора. Некоторые типы конденсаторов плохо работают при высоких температурах или экстремальных условиях, поэтому следует выбирать конденсаторы, подходящие для конкретной рабочей среды.

Частотный ответ и ESR

При проектировании высокочастотных схем необходимо учитывать частотные характеристики конденсаторов и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Выбор конденсаторов с более низким ESR помогает улучшить производительность схемы, особенно в случае быстрого изменения сигнала, при котором низкий ESR уменьшает потерю мощности и выработку тепла.

6. Тип упаковки и расположение

Тип упаковки конденсатора может влиять на компоновку платы и плотность электронных элементов. Поэтому необходимо выбрать форму упаковки, подходящую для конструкции PCB. Правильная компоновка гарантирует, что конденсатор может быть наилучшим образом подключен к цепи, чтобы минимизировать помехи и улучшить производительность.

Конденсаторы PCB играют решающую роль в печатных платах (PCB) и выполняют множество функций, таких как связь, фильтрация, развязка, хранение энергии и шумовая фильтрация. Выбор подходящего конденсатора может не только улучшить стабильность схемы и целостность сигнала, но и оптимизировать производительность схемы в различных условиях работы.