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PCB布局時如何擺放及安裝去耦電容

發(fā)布時間:2016-05-24 08:25:26 分類:行業(yè)新聞

 內(nèi)容摘要: 數(shù)字電路輸出高電平時從電源拉出的電流Ioh和低電平輸出時灌入的電流Iol的大小一般是不同的,即:Iol>Ioh。以下圖的TTL與非門為例說明尖峰電流的形成

    尖峰電流的形成:

  數(shù)字電路輸出高電平時從電源拉出的電流Ioh和低電平輸出時灌入的電流Iol的大小一般是不同的,即:Iol>Ioh。以下圖的TTL與非門為例說明尖峰電流的形成:
 
    輸出電壓如右圖(a)所示,理論上電源電流的波形如右圖(b),而實際的電源電流保險如右圖(c)。由圖(c)可以看出在輸出由低電平轉(zhuǎn)換到高電平時電源電流有一個短暫而幅度很大的尖峰。尖峰電源電流的波形隨所用器件的類型和輸出端所接的電容負(fù)載而異。
 
  產(chǎn)生尖峰電流的主要原因是:
 
  輸出級的T3、T4管短設(shè)計內(nèi)同時導(dǎo)通。在與非門由輸出低電平轉(zhuǎn)向高電平的過程中,輸入電壓的負(fù)跳變在T2和T3的基極回路內(nèi)產(chǎn)生很大的反向驅(qū)動電流,由于T3的飽和深度設(shè)計得比T2大,反向驅(qū)動電流將使T2首先脫離飽和而截止。T2截止后,其集電極電位上升,使T4導(dǎo)通??墒谴藭rT3還未脫離飽和,因此在極短得設(shè)計內(nèi)T3和T4將同時導(dǎo)通,從而產(chǎn)生很大的ic4,使電源電流形成尖峰電流。圖中的R4正是為了限制此尖峰電流而設(shè)計。
 
  低功耗型TTL門電路中的R4較大,因此其尖峰電流較小。當(dāng)輸入電壓由低電平變?yōu)楦唠娖綍r,與非門輸出電平由高變低,這時T3、T4也可能同時導(dǎo)通。但當(dāng)T3開始進(jìn)入導(dǎo)通時,T4處于放大狀態(tài),兩管的集-射間電壓較大,故所產(chǎn)生的尖峰電流較小,對電源電流產(chǎn)生的影響相對較小。
 
  產(chǎn)生尖峰電流的另一個原因是負(fù)載電容的影響。與非門輸出端實際上存在負(fù)載電容CL,當(dāng)門的輸出由低轉(zhuǎn)換到高時,電源電壓由T4對電容CL充電,因此形成尖峰電流。
 
  當(dāng)與非門的輸出由高電平轉(zhuǎn)換到低電平時,電容CL通過T3放電。此時放電電流不通過電源,故CL的放電電流對電源電流無影響。
 
  尖峰電流的抑制方法:
 
  1、在電路板布線上采取措施,使信號線的雜散電容降到??;
 
  2、 另一種方法是設(shè)法降低供電電源的內(nèi)阻,使尖峰電流不至于引起過大的電源電壓波動;
 
  3、 通常的作法是使用去耦電容來濾波,一般是在電路板的電源入口處放
 
  一個1uF~10uF的去耦電容,濾除低頻噪聲;在電路板內(nèi)的每一個有源器件的電源和地之間放置一個0.01uF~0.1uF的去耦電容(高頻濾波電容),用于濾除高頻噪聲。濾波的目的是要濾除疊加在電源上的交流干擾,但并不是使用的電容容量越大越好,因為實際的電容并不是理想電容,不具備理想電容的所有特性。
 
  去耦電容的選取可按C=1/F計算,其中F為電路頻率,即10MHz取0.1uF,100MHz取0.01uF。一般取0.10.01uF均可。
 
  放置在有源器件傍的高頻濾波電容的作用有兩個,其一是濾除沿電源傳導(dǎo)過來的高頻干擾,其二是及時補充器件高速工作時所需的尖峰電流。所以電容的放置位置是需要考慮的。
 
  實際的電容由于存在寄生參數(shù),可等效為串聯(lián)在電容上的電阻和電感,將其稱為等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。這樣,實際的電容就是一個串聯(lián)諧振電路,其諧振頻率為:
 
    實際的電容在低于Fr的頻率呈現(xiàn)容性,而在高于Fr的頻率上則呈現(xiàn)感性,所以電容更象是一個帶阻濾波器。
 
  10uF的電解電容由于其ESL較大,F(xiàn)r小于1MHz,對于50Hz這樣的低頻噪聲有較好的濾波效果,對上百兆的高頻開關(guān)噪聲則沒有什么作用。
 
  電容的ESR和ESL是由電容的結(jié)構(gòu)和所用的介質(zhì)決定的,而不是電容量。通過使用更大容量的電容并不能提高抑制高頻干擾的能力,同類型的電容,在低于Fr的頻率下,大容量的比小容量的阻抗小,但如果頻率高于Fr,ESL決定了兩者的阻抗不會有什么區(qū)別。
 
  電路板上使用過多的大容量電容對于濾除高頻干擾并沒有什么幫助,特別是使用高頻開關(guān)電源供電時。另一個問題是,大容量電容過多,增加了上電及熱插拔電路板時對電源的沖擊,容易引起如電源電壓下跌、電路板接插件打火、電路板內(nèi)電壓上升慢等問題。
 
    PCB布局時去耦電容擺放
 
  對于電容的安裝,首先要提到的就是安裝距離。容值小的電容,有高的諧振頻率,去耦半徑小,因此放在靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠(yuǎn),外層放置容值大的。但是,所有對該芯片去耦的電容都盡量靠近芯片。
 
  下面的圖1就是一個擺放位置的例子。本例中的電容等級大致遵循10倍等級關(guān)系。
 

 
    還有一點要注意,在放置時,好均勻分布在芯片的四周,對每一個容值等級都要這樣。通常芯片在設(shè)計的時候就考慮到了電源和地引腳的排列位置,一般都是均勻分布在芯片的四個邊上的。因此,電壓擾動在芯片的四周都存在,去耦也必須對整個芯片所在區(qū)域均勻去耦。如果把上圖中的680pF電容都放在芯片的上部,由于存在去耦半徑問題,那么就不能對芯片下部的電壓擾動很好的去耦。
 
  電容的安裝
 
  在安裝電容時,要從焊盤拉出一小段引出線,然后通過過孔和電源平面連接,接地端也是同樣。這樣流經(jīng)電容的電流回路為:電源平面-》過孔-》引出線-》焊盤-》電容-》焊盤-》引出線-》過孔-》地平面,圖2直觀的顯示了電流的回流路徑。
 

 
    一種方法從焊盤引出很長的引出線然后連接過孔,這會引入很大的寄生電感,一定要避免這樣做,這是糟糕的安裝方式。
 
  二種方法在焊盤的兩個端點緊鄰焊盤打孔,比一種方法路面積小得多,寄生電感也較小,可以接受。
 
  三種在焊盤側(cè)面打孔,進(jìn)一步減小了回路面積,寄生電感比二種更小,是比較好的方法。
 
  四種在焊盤兩側(cè)都打孔,和三種方法相比,相當(dāng)于電容每一端都是通過過孔的并聯(lián)接入電源平面和地平面,比三種寄生電感更小,只要空間允許,盡量用這種方法。
 
  后一種方法在焊盤上直接打孔,寄生電感小,但是焊接是可能會出現(xiàn)問題,是否使用要看加工能力和方式。
 
  推薦使用三種和四種方法。
 
  需要強調(diào)一點:有些工程師為了節(jié)省空間,有時讓多個電容使用公共過孔,任何情況下都不要這樣做。好想辦法優(yōu)化電容組合的設(shè)計,減少電容數(shù)量。
 
  由于印制線越寬,電感越小,從焊盤到過孔的引出線盡量加寬,如果可能,盡量和焊盤寬度相同。這樣即使是0402封裝的電容,你也可以使用20mil寬的引出線。引出線和過孔安裝如圖4所示,注意圖中的各種尺寸。
 
來源:PCB布局時如何擺放及安裝去耦電容

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