支招PCB布線:去耦電容的擺放技巧
發(fā)布時(shí)間:2016-07-28 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】相信對做硬件的工程師,畢業(yè)開始進(jìn)公司時(shí),在設(shè)計(jì)PCB時(shí),老工程師都會(huì)對他說,PCB走線不要走直角,走線一定要短,電容一定要就近擺放等等。但是一開始我們可能都不了解為什么這樣做。
就憑他們的幾句經(jīng)驗(yàn)對我們來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的哦,當(dāng)然如果你沒有注意這些細(xì)節(jié)問題,今后又犯了,可能又會(huì)被他們罵,“都說了多少遍了電容一定要就近擺放,放遠(yuǎn)了起不到效果等等”,往往經(jīng)驗(yàn)告訴我們其實(shí)那些老工程師也是只有一部分人才真正掌握其中的奧妙,我們一開始不會(huì)也不用難過,多看看資料很快就能掌握的。
直到被罵好幾次后我們回去找相關(guān)資料,為什么設(shè)計(jì)PCB電容要就近擺放呢,等看了資料后就能了解一些,可是網(wǎng)上的資料很雜散,很少能找到一個(gè)很全方面講解的。下面這些內(nèi)容是我轉(zhuǎn)載的一篇關(guān)于電容去耦半徑的講解,相信你看了之后可以很牛x的回答和避免類似問題的發(fā)生。
老師問: 為什么去耦電容就近擺放呢?
學(xué)生答: 因?yàn)樗杏行О霃脚?,放的遠(yuǎn)了失效的。
電容去耦的一個(gè)重要問題是電容的去耦半徑。大多數(shù)資料中都會(huì)提到電容擺放要盡量靠近芯片,多數(shù)資料都是從減小回路電感的角度來談這個(gè)擺放距離問題。確實(shí),減小電感是一個(gè)重要原因,但是還有一個(gè)重要的原因大多數(shù)資料都沒有提及,那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠(yuǎn),超出了它的去耦半徑,電容將失去它的去耦的作用。
理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位關(guān)系。當(dāng)芯片對電流的需求發(fā)生變化時(shí),會(huì)在電源平面的一個(gè)很小的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電壓擾動(dòng),電容要補(bǔ)償這一電流(或電壓),就必須先感知到這個(gè)電壓擾動(dòng)。信號在介質(zhì)中傳播需要一定的時(shí)間,因此從發(fā)生局部電壓擾動(dòng)到電容感知到這一擾動(dòng)之間有一個(gè)時(shí)間延遲。同樣,電容的補(bǔ)償電流到達(dá)擾動(dòng)區(qū)也需要一個(gè)延遲。因此必然造成噪聲源和電容補(bǔ)償電流之間的相位上的不一致。
特定的電容,對與它自諧振頻率相同的噪聲補(bǔ)償效果最好,我們以這個(gè)頻率來衡量這種相位關(guān)系。
當(dāng)擾動(dòng)區(qū)到電容的距離達(dá)到時(shí),補(bǔ)償電流的相位為,和噪聲源相位剛好差180度,即完全反相。此時(shí)補(bǔ)償電流不再起作用,去耦作用失效,補(bǔ)償?shù)哪芰繜o法 及時(shí)送達(dá)。為了能有效傳遞補(bǔ)償能量,應(yīng)使噪聲源和補(bǔ)償電流的相位差盡可能的小,最好是同相位的。距離越近,相位差越小,補(bǔ)償能量傳遞越多,如果距離為0,則補(bǔ)償能量百分之百傳遞到擾動(dòng)區(qū)。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近,要遠(yuǎn)小于。實(shí)際應(yīng)用中,這一距離最好控制在(λ/40 -λ/50)之間,這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
例如:0.001uF陶瓷電容,如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH,那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz,諧振周期為7.95ps。假設(shè)信號在電路板上的傳播速度為166ps/inch,則波長為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸,大約等于2.4厘米。
本例中的電容只能對它周圍2.4厘米范圍內(nèi)的電源噪聲進(jìn)行補(bǔ)償,即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容,諧振頻率不同,去耦半徑也不同。對于大電容,因?yàn)槠渲C振頻率很低,對應(yīng)的波長非常長,因而去耦半徑很大,這也是為什么我們不太關(guān)注大電容在電路板上放置位置的原因。對于小電容,因去耦半徑很小,應(yīng)盡可能的靠近需要去耦的芯片,這正是大多數(shù)資料上都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)的,小電容要盡可能近的靠近芯片放置。
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