PCB新聞 - 高速PCB中旁路電容器的分析

旁路電容器的分析 高速PCB

1.引言

隨著系統體積的减小和工作頻率的新增, 系統的功能變得更加複雜, 這需要多個不同的嵌入式功能模組同時工作. 只有當每個模塊具有良好的EMC和低EMI時, 能否保證整個系統功能的實現. 這就要求系統本身不僅要具有良好的遮罩效能，免受外部干擾, 但同時與其他系統一起工作時，也不會對外部世界產生嚴重的電磁干擾. 此外, 開關電源在高速數位系統設計中的應用越來越廣泛, 系統中通常需要多個電源. 電力系統不僅容易受到干擾, 但是，在供電過程中產生的雜訊可能會對整個系統造成嚴重的EMC問題. 因此, 高速行駛時 PCB設計, 如何更好地過濾電力雜訊是確保良好電力完整性的關鍵. 本文分析了電容器的濾波特性, 電容器寄生電感對濾波器效能的影響, 以及PCB中的電流環路現象, 然後對如何選擇旁路電容器進行了總結. 本文還著重分析了電源雜訊和地面反彈雜訊的產生機理, 並在此基礎上分析比較了各種旁路電容器在PCB中的放置方法.

2電容器的插入損耗特性、頻率回應特性和濾波器特性

2.1理想電容器的插入損耗特性

EMI功率濾波器抑制干擾雜訊的能力通常通過插入損耗（插入損耗）特性來衡量。 插入損耗定義為當沒有濾波器連接到雜訊源時，從雜訊源傳輸到負載的雜訊功率P1與連接濾波器後從雜訊源傳輸到負載的雜訊功率P2的比率，以dB（分貝）表示。 圖1顯示了理想電容器的插入損耗特性。 可以看出，對應於1mF電容器的插入損耗曲線的斜率接近20dB/10倍的頻率。

觀察其中一個插入損耗特性。 當頻率新增時，電容器的插入損耗值新增，即P1/P2值新增。 這意味著，在電容器對系統進行濾波後，可以傳輸到負載的雜訊會降低。 增强了電容器過濾高頻雜訊的能力。 從理想電容器公式分析，當電容器恒定時，訊號頻率越高，回路阻抗越低，即電容器容易濾除高頻分量。 從這兩個方面得出的結論是相同的。

觀察不同電容器對應的曲線. 當頻率很低時, 各種電容器的相應插入損耗值大致相同, 但是隨著頻率的新增, 小電容器的插入損耗值隨著大電容器的新增而新增. 如果速度較慢, P1的值/P2將緩慢新增, 這意味著大電容器更容易濾除低頻雜訊. 因此, 設計高速時 電路板, 我們通常在電路板的功率輸入端放置一個1～10mF電容器，以濾除低頻雜訊； 放置0.01~0.1在電路板上每個設備的電源和接地之間. mF電容器濾除高頻雜訊.

連接在電源和地面之間的電容器的阻抗可以通過以下公式計算：電容器濾波的目的是過濾掉疊加在電力系統中的交流分量。 從上述公式可以看出，當頻率恒定時，電容值越大，回路中的阻抗越小，交流訊號越容易通過電容器流向接地層。 換句話說，電容值越大，濾波效果越好。 事實並非如此，因為實際的電容器並不理想。 電容器的所有特性。 實際電容具有寄生分量，這些寄生分量是在構造電容器板和引線時形成的，這些寄生分量可以等效於串聯在電容器上的電阻和電感，通常稱為等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。 這個電容器實際上是一個串聯諧振電路。 在實際電路或PCB設計中，電容器寄生電感的存在將對電容器的濾波效能產生很大影響，囙此在系統設計中應選擇寄生電感相對較小的電容器。

2.2 High-frequency response characteristics of actual capacitors

From Section 2.1, 我們知道，由於寄生電感，實際電容器正在工作, 這使得電容電路成為串聯諧振電路. 共振頻率為, 式中：L為等效電感； C是實際電容. 當頻率小於f0時, 它表現為電容； 當頻率大於f0時, 它顯示為電感. 因此, 電容器更像是帶阻濾波器，而不是低通濾波器. 電容器的ESL和ESR由電容器的結構和所用的介電材料决定, 與電容器的電容無關. 更換相同類型的大容量電容器不會增强抑制高頻的能力. 當頻率低於f0時，同類型的大容量電容器的阻抗小於小容量電容器的阻抗, 但當頻率大於f0時, ESL確定兩者之間的阻抗沒有差异. 可以看出，為了改善高頻濾波特性, 必須使用ESL較低的電容器. 任何類型電容器的有效頻率範圍都是有限的, 對於一個系統, 既有低頻雜訊，也有高頻雜訊, 囙此，通常需要並聯使用不同類型的電容器，以實現更寬的有效頻率範圍.
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