PCB科技 - 去耦電容器的PCB佈局和安裝

尖峰電流的形成：

當數位電路輸出高電平時，從電源中汲取的電流大小通常與低電平輸出期間注入的電流不同，即低電平輸出時吸收的電流>電源汲取的電流。

峰值電源電流的波形隨著所使用的設備類型和連接到輸出端子的電容性負載而變化。

尖峰電流的主要原因是：

在短設計中，輸出級的T3和T4管同時打開。 在NAND門從輸出低電平到高電平的過程中，輸入電壓的負跳變在T2和T3的基極環路中產生較大的反向驅動電流，因為T3的飽和深度被設計為大於T2的飽和深度。反向驅動電流將導致T2首先從飽和中逃逸並被切斷。T2關斷後，其集電極電勢升高，從而接通T4。 但此時T3還沒有飽和，所以在很短的設計中，T3和T4會同時開啟，從而產生較大的ic4，使電源電流形成峰值電流。 圖中的R4旨在限制該峰值電流。

低功耗TTL門電路中的R4較大，囙此其峰值電流較小。 當輸入電壓從低變為高時，NAND門的輸出電平從高變為低。 此時，T3和T4也可以同時開啟。 但當T3開始開啟時，T4處於放大狀態，兩管集電極和發射極之間的電壓較大，囙此產生的峰值電流較小，對電源電流的影響相對較小。

尖峰電流的另一個原因是負載電容的影響。 實際上在NAND門的輸出端有一個負載電容器CL。 當柵極的輸出從低變為高時，電源電壓被T4充電到電容器CL，從而形成尖峰電流。

當NAND門的輸出從高電平變為低電平時，電容器CL通過T3放電。 此時，放電電流不通過電源，囙此CL的放電電流對電源電流沒有影響。

尖峰電流抑制方法：

1.在電路板的佈線上採取措施，儘量減少訊號線的雜散電容；

2.另一種方法是儘量降低電源的內阻，使峰值電流不會引起電源電壓的過度波動；

3.通常的做法是使用去耦電容器進行濾波，通常放置在電路板的電源入口處。

1uF½10uF去耦電容器，用於濾除低頻雜訊； 在電路板中的每個有源器件的電源和地之間放置一個0.01uF至0.1uF的去耦電容器（高頻濾波電容器）。 濾除高頻雜訊。 濾波的目的是濾除疊加在電源上的交流干擾，但並不是說所用電容器的電容越大越好，因為實際的電容器不是理想的電容器，也不具備理想電容器的所有特性。

去耦電容器的選擇可按C=1/F計算，其中F為電路頻率，即10MHz為0.1uF，100MHz為0.01uF。 一般可以是0.1~0.01uF。

放置在有源器件旁邊的高頻濾波電容器具有兩個功能。 一是濾除沿電源傳導的高頻干擾，二是及時補充設備高速運行所需的峰值電流。 囙此，需要考慮電容器的放置。

由於實際電容器的寄生參數，它可以等效為串聯在電容器上的電阻和電感，稱為等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。 這樣，實際的電容器是一個串聯諧振電路。

實際的電容器在頻率低於Fr時是電容性的，在頻率高於Fr時則是電感性的，囙此電容器更像是一個帶阻濾波器。

10uF電解電容器具有較大的ESL和小於1MHz的Fr，對50Hz等低頻雜訊具有更好的濾波效果，但對數百兆位元組的高頻開關雜訊沒有影響。

電容器的ESR和ESL由電容器的結構和使用的介質决定，而不是由電容决定。 抑制高頻干擾的能力不能通過使用更大容量的電容器來提高。 對於同一類型的電容器，在低於Fr的頻率下，大容量的阻抗小於小容量的阻抗，但如果頻率高於Fr，ESL確定兩者之間的阻抗沒有差异。

在電路板上使用過多的大容量電容器不利於濾除高頻干擾，尤其是在使用高頻開關電源時。 另一個問題是，太多的大容量電容器會新增電路板通電和熱插拔時對電源的影響，這可能會導致電源電壓下降、電路板連接器點火和電路板電壓上升緩慢等問題。

PCB佈局中去耦電容器的放置

對於電容器的安裝，首先要提到的是安裝距離。 電容最小的電容器具有最高的諧振頻率和最小的去耦半徑，囙此它被放置在離晶片最近的位置。 較大的容量可以離得更遠，最外層的容量最大。 然而，所有使晶片去耦的電容器都應盡可能靠近晶片。

另一點需要注意的是，在放置它時，最好將其均勻地分佈在晶片周圍，並且必須對每個電容水准都這樣做。 通常在設計晶片時會考慮電源和接地引脚的排列，它們通常均勻地分佈在晶片的四個側面。 囙此，晶片周圍存在電壓干擾，解耦還必須均勻地解耦整個晶片區域。 如果上圖中的680pF電容器都放置在晶片的上部，由於去耦半徑問題，那麼晶片下部的電壓干擾就不能很好地去耦。

電容器安裝

安裝電容器時，從焊盤上拔出一根短引線，然後通過通孔將其連接到電源平面，接地端子也是如此。 這樣，流過電容器的電流回路是：電源平面過孔引線焊盤電容器焊盤引線過孔接地平面，下圖直觀地顯示了電流c回流路徑。

第一種方法從焊盤引出長引線，然後連接到通孔。 這將引入較大的寄生電感。 必須避免這種情況。 這是最糟糕的安裝方法。

第二種方法在焊盤旁邊的焊盤兩端鑽孔，其道路面積比第一種方法小得多，寄生電感也小，這是可以接受的。

第三種是在焊盤側面鑽孔，這進一步减小了回路面積，寄生電感小於第二種，這是一種更好的方法。

第四種方法在焊盤的兩側都有孔。 與第三種方法相比，等效於電容器的每一端通過通孔並聯連接到電源平面和接地平面，這小於第三種寄生電感。 如果空間允許，請嘗試使用這種方法。

最後一種方法是直接在焊盤上鑽孔，寄生電感最小，但焊接可能會導致問題。 是否使用取決於加工能力和方法。

推薦第三和第四種方法。

需要強調的是，一些PCB工程師有時會為多個電容器使用公共通孔來節省空間。 在任何情况下都不要這樣做。 最好找到一種方法來優化電容器組合的設計，减少電容器的數量。

由於印刷線越寬，電感越小，囙此從焊盤到通孔的引出線應盡可能寬，如果可能的話，儘量與焊盤的寬度相同。 這樣，即使是0402封裝中的電容器，也可以使用20mil寬的引線。