去耦电容PCB设计和布局

今天给大家分享的是：

去耦电容，去耦电容PCB设计和布局

一、去耦电容

去耦电容用于滤除输出信号的干扰，通常用于不需要交流电的放大器电路中，用来消除自激，使放大器温度工作。

在只有一根导体的电路中，当共享电源时，如果有设备需要提供输出，则导体的电压同时被拉低，从而产生耦合到共享电路中的噪声。

在嘈杂的环境中，电磁波会在导体中感应出电压信号，影响回路中的元器件，而在数字电路中国，由于关键位置的干扰，器件容易产生错误信号，从而引起错误的动作。

去耦电容可以减少上述情况，去耦电容一般放置在元器件的电源处，以减少布线阻抗对滤波效果的影响，大多数去耦电容都是陶瓷电容，其值的电压信号最快的上升和下降速度决定。

在IC旁边使用去耦电容的典型应用

二、去耦电容的作用

1、去除高频

去耦电容主要用于去除通过电磁辐射进入设备的射频信号等高频干扰。

芯片附近的电容也储能作用。假设主电源是水库，我们楼里的每户人家都需要供水，水不是直接从水库里面来的，因为太远了，要很久。实际上的水都是来自附近储存的水的分塔，可以起到一个缓冲作用。

从微观上看，高频器件工作时，其电流是不连续的，频率很高，器件VCC与主电源之间有一定的距离。

在高频下，阻抗Z为：

阻抗

而且线路的电感也会很大，不能及时给设备供电。去耦电容可以弥补这一点不足，这也就是为什么PCB板上高频器件的VCC引脚上放置很多小电容的原因之一。

2、为有源器件提供直流电源

当有源器件打开和关闭时，会产生高频噪声并沿电源线传输。去耦电容的主要作用是为有源器件提供本地直流电源，以减少PCB板上开关噪声的传播，并将噪声引至地。

三、去耦电容计算

去耦的最初目的：无论法规和电流波动的要求如何，都将电压限制保持在规定的允许误差内。

1、计算方式一

IC所需要的去耦电容的电容值C可由以下公式计算：

去耦电容容值

⊿U 为实际电源母线电压的允许降低量（V）；

I 为最大所需电流(A)；

⊿t 是所需电容的持续时间。

2、计算方法二

建议去耦电容或者值大于等效开路电容的1/m倍。m 是 IC 电源引脚上允许的电源总线电压变化的最大百分比，通常会在 IC 数据表中给出。下面为等效开路电容：

等效开路电容

P：IC耗散的总瓦数

U：IC的最大直流供电电压

f：IC的时钟频率

确定等效开路电容后，将其乘以1/m即可得出 IC 所需的总去耦电容或值。然后将结果除以连接到同一电源总线的电源引脚总数，最后得到连接到每条电源总线的所有电源引脚附近的电容值。

三、PCB去耦电容的选择与布局

去耦电容并不是越多越好，要注意滤波效果。在设计PCB时，在电源输入端跨接一个10uf-100uf的电解电容，在每个集成芯片的电源和地之间配置一个0.01μF的陶瓷电容。

一方面， 去耦电容提供和吸收集成电路开合时的瞬时充放电能量，另一方面，绕过了设备的高频噪声。

1、去耦电容的分类

去耦电容对集成芯片进行补偿或者PCB工作电压出现下降时，可以起到储能作用。可以分为整体型，局部型和板间型三种。

1）整体去耦电容

整体去耦电容工作在低频（<1MHz）范围，为整个PCB提供一个电流源，以补偿PCB在工作过程中产生的噪声电流ΔI，保证工作电源的稳定。整体去耦电容是PCB上所有负载电容总和50倍到100倍。

一般来说，整体去耦电容应该靠近PCB的电源延长线和地线放置，印刷制线密度很高。为PCB上放置关键印刷线路提供了空间，而不会减少低频去耦。

2）局部去耦

局部去耦有2个原因：1是因为功能方面，2是因为EMC方面，具体的如下所示：

局部去耦原因

局部去耦电容安装在集成芯片的电源端和地端之间，并尽可能靠近集成芯片。

3）板间去耦电容S

板间去耦电容指电源层和地层之间的电容，是高频去耦电流的主要来源，可以通过增加电源层和接地层之间的面积来增加平面之间的电容。

在PCB中，一些平面可以分布到电源平面，移除这些接地平面并用电源隔离区域替换它们会增加平面之间的电容。

2、PCB去耦电容值

在直流电源电路中，负载的变化会产生电源噪声，例如在数字电路中，当电路从一种状态转换到另一种状态时，电源线上会产生很大的峰值电流，形成瞬态噪声电压。

配置去耦电容可以抑制负载变化引起的噪声，在PCB可靠性设计经常会用这个方法，一个好的高频去耦电容可以去除高达1GHz的高频成分。陶瓷贴片电容或者多层陶瓷电容的高频特性较好。

在设计PCB时，必须要在每块集成电路的电源和地之间添加一个去耦电容。去耦电容有2个作用，一方面是集成电路的储能电容，提供和吸收集成电路开、关时的瞬时充放电能量。另一方面，去耦电容绕过了设备的高频噪声。

PCB去耦电容

去耦电容的配置原则如下：

1）电源配置滤波电容

电源输入端跨接一个 10μF ~ 100μF 的电解电容，如果PCB的位置允许的话，这个电解电容的抗干扰效果会更好。

并联谐振频率在2020MHz以上的1μF和10μF电容，去除高频噪声效果较好。在电源进入PCB的区域应用，应用电容通常是有利的，而且通常电池供电系统也是需要这种电容。

2）芯片配置去耦电容

每个集成电路芯片配置一个0.01μF陶瓷电容。数字电容中典型的去耦电容为 0.1/μF。去耦电容具有 5nH的分布电感 ，其并联谐振频率在7MHz左右，意味着对10MHz以下的噪声有很好的去耦效果，对40MHz以上的噪声影响不大。

如果PCB的空间太小，可以每4～10个芯片加一个1μF～10μF的钽电解电容。这种电容的高频阻抗特别小，在500kHz-20MHz范围内小于1μF-10μF，漏电流很小（0.5μA以下）。

去耦电容的选值并没有那么严格，可以用以下公式来计算：

去耦电容

对于单片机组成的系统，电容可以在在0.1μF - 0.01μF之间。

3）充放电电容S

每10个左右的集成电路需要加一个容量为10uf的充放电电容，通常使用的大电容是电解电容。但是当滤波频率较高时，电解电容会卷起2层薄膜，卷起的结构在高频时表现为电感。在这种情况下，使用钽电容或者聚碳酸酯电容。

四、PCB去耦电容布局的影响因素

1、电容引线的影响

在使用电容抑制电磁干扰和滤波时，最容易被忽视的问题是电容引线滤波效果的影响。

电容的容抗与频率成反比，基于这一特点，在信号线和地线之间并联电容，起到旁路高频噪声的作用，然后在实际电路中，有很多人发现这种方法并没有达到预期的滤除噪声和效果。原因之一就是忽略了电容引线对旁别效应的影响。

实际的电容式由等效串联电感（ESL）、电容和等效串联电容（ESR）组成的串联网络。

理想电容的阻抗随着频率的升高而降低，实际电容的阻抗特性如下图所示：

实际电容的阻抗特性

当频率较低时，表现出电容特性，即阻抗随频率升高而降低，在某一点发生谐振，电容的阻抗等于ESR。在谐振动以上，由于ESL的作用，电容的阻抗随频率的升高而增大，使电容表现出电感的阻抗特性。随着电容阻抗的增加，对高频噪声的旁路作用减弱甚至消失。

因此，在布置去耦电容时，要注意电容的分布参数对滤波的影响。

2、电容引线的作用

电容的谐振频率由ESL和C共同决定，电容或者电感较大，谐振频率越低，意味着，电容的高频滤波效果越差。

除了电容的种类，引线的长度也是ESL非常重要的一个参数。引线越长，电感越大，电容的谐振频率越低。因此在实际设计中，电容的引线应该尽可能短。电容的正确安装方法和不正确的安装方法如下图所示：

滤波电容的安装方法

根据LC电容串联谐振原理，谐振点不仅与电感有关，还与电容值有关，电容越大，谐振点越低。

有些人会认为电容越大，滤波效果也会越好，这是一种误解，虽然电容越大，低频干扰的旁路效果越好，但由于电容谐振频率较低，随着频率的升高阻抗开始增大，高频噪声的旁路效果变差，表中给出了不同容量陶瓷电容的自谐振频率，电容的引线长度为1.6mm。

虽然从滤波高频噪声的角度来看，电容的谐振是不可取的，但也有好的一方面，当待滤除噪声的频率确定后，可调节电容使谐振点刚好落在干扰频率。

3、温度的影响

温度对电容的特性也有很大的影响。由于电容中的介质参数受温度变化的影响，因此电容的容值值也随温度变化。不同的介质有不同的温度变化规律，有的电容在温度升高时电容量会下降70%以上。

常用的滤波电容是陶瓷电容。陶瓷电容分为超稳型、稳定型和通用型三种。不同电介质电容的温度特性如图所示。

不同介质电容的温度特性

可以看出， COG电容的电容量几乎不随温度变化。X7R电容在额定工作温度范围内的容量变化在12%以内， YSV电容在额定工作温度范围内 的容量 变化在70%以上。

温度特性都是我们应该注意的，否则滤波器在高温或者低温下的性能会发生变化，从而导致电磁兼容问题。

COG介质电容虽然受温度影响较小，特性稳定，但其介电常数较低，一般为10～100，所以体积小时，电容量也会小。

XTR 介质电容的介电常数要高得多，从 2000 到 4000，因此更小的体积可以产生更大的电容

YSV介质电容的介电常数最高，为5000-25000，通常用于需要体积较小、电容量较大的场合。

在选择电容时，很多人单方面追求电容的体积小。这种电容虽然介电常数高，但温度稳定性很差，会导致器件的温度特性较差。这是我们在选择电容时要特别注意的，特别是军用装备。

4、PCB电压的影响

电容的容量不仅随温度而变化，而且随工作电压而变化。在实际项目中必须注意这一点。

下图显示了不同介质材料的电容的电压特性。图中，在额定电压下，X7R电容的容量减少到原来的70%，YSV电容的容量减少到原来的30%。因此，在选择电容时，电压和电容值要留有余量，否则滤波器在额定工作电压下达不到预期效果。

当同时考虑温度和电压的影响时，电容的变化如图所示。

电容器的电压特性

因此，我们在放置滤波电容时必须充分考虑电容的滤波作用。

电容的温度/电压特性

五、 PCB去耦电容的合理放置

1、原理图中一般只画出几个电源去耦电容，但并没有标明应该接在哪里。实际上，这些电容是为开关器件（门电路）或其他需要去耦的元器件而设置的，因此应尽可能靠近这些元器件放置。当电源去耦电容布置得当，接地点问题就不那么明显了。

2、对于抗噪声能力弱、掉电时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储器件，应在芯片电源线（VCC）和地（GND）之间直接接去耦电容。

3、去耦电容的引线不宜过长。引线越短，去耦效果越好。特别是高频旁路电容不能有引线。

4、去耦的量并不是越多越好，而是要注意滤波的效果，根据电路板和器件的时间来选择电容的数量和大小。

5、陶瓷电容和电解电容电容精度差，分布电感大，对去耦要求较高时不采用。相反，应使用钽电容器或聚酯电容。

6、在芯片和去耦电容较多的地方，可加装充放电电容，以处理电路开关工作时产生的电荷。

审核编辑：汤梓红