电容的模型、选型、容值计算与pcb布局布线

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1、1 电容结构及模型1.1 模型电容的基本公式是：式(1)显示，减小电容器极板之间的距离(d)和增加极板的截面积(A)将增加电容器的电容量。1.2 寄生参数与阻抗的频率特性电容通常存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。 图 2是电容器在不同工作频率下的阻抗(Zc)。1.2.1 降低去耦电容 ESL的方法 去耦电容的ESL是由于内部流动的电流引起的，使用多个去耦电容并联的方式可以降低电容的ESL影响，而且将两个去耦电容以相反走向放置在一起，从 而使它们的内部电流引起的磁通量相互抵消，能进一步降低ESL。（此方法适用于任何数目的去耦电容，注意不要侵犯DELL公司的专利）1.

2、3 不同电容的参数特性电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。 由于它的谐振频率很低， 对低频信号通过较好， 而对高频信号， 表现出较强的电感性， 阻抗较大，所以只能使用在低频滤波上。 同时， 大电容还可以起到局部电荷池的作用， 可以减少局部干扰通过电源耦合出去。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感， 因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小， 因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器， 所以能使用在高频滤波和旁路电路上。 由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高， 因此， 在选择旁路电

3、容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。1.4 电容并联改善特性为了改善电容的高频特性， 多个不同特性的电容器可以并联起来使用。图 3 是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。1.4.1 电容并联时注意封装在为每个电容选择封装类型时必须谨慎。通常BOM表中会规定所有的无源元器件都要选用相同的尺寸，如都用0805电容。图10为三只电容并联后的阻抗与频率关系。 由于每只电容采用相同的封装，故它们的高频响应相同。实际上，这就抵消了更小电容的采用！相反，封装尺寸应该随同电容值一起微缩，见图11。2 电容器的并联和反谐振2.1 反谐振当电容器的电容不足，或者目标阻抗以及插入损耗由于高 ESL 和 ES

4、R 难以实现时，可能需要并联多个电容器，如图 10 所示。在这种情况下，必须注意出现在这些电容器中的并联谐振（称为反谐振） ，如图 11 所示，可以看到从电源端的阻抗由于反谐振会趋向于变大。反谐振是发生在两个电容器间的自谐振频率不同时的一种现象。如图 12 所示，并联谐振发生在其中一个电容器的电感区以及另一个电容器的电容区的频率范围内。 并联谐振造成该频率范围的总阻抗增加。 因此， 在出现反谐振的频率范围， 插入损耗会变小。图10 电容并联可能出现反谐振的情况图11 电容器的并联谐振图12 并联谐振频率范围2.2 反谐振的抑制如图 13 （a）所示， 在电容器间嵌入谐振抑制元件例如铁氧体磁珠。

5、如图 13（b）所示，匹配电容器的电容以调整自谐振频率。如图 13（c ）所示，缩小电容器之间的间距和使用不同电容的电容器相结合，电容值的差值低于 10:1 。图 13（a）所示方法对改善插入损耗相当有效。然而，降低电源阻抗的效果就变小。采用图13（b）和图 10（c）的方法， 可以减弱反谐振，但要完全抑制反谐振是很难的。 如图 13（d）所示，可以采用低 ESL和 ESR 的高性能电容器来消除反谐振问题。3 滤波电容、去耦电容和旁路电容3.1 三个概念 滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。 去耦电容的主要功能是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板

6、上的传播和将噪声引导到地，加入去耦电容后电压的纹波干扰会明显减小。 旁路电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路。用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。3.2 滤波电容3.2.1 滤波电容的作用电路的电源线与回流线（地线）之间总要连接很多的电容器通常称为滤波电容。一般情况下，滤波电容（多为电解电容）的作用是过滤掉电流中的低频信号，但即使是低频信号，其频率也分为了好几个数量级。因此为了适合在不同频率下使用，电解电容也分为高频电容和低频电容（这里的高频是相对而言）。 n-35g的主滤波电容低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电

7、容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。3.2.2 电源滤波电容3.2.3 滤波电容的选择滤波电容在开关电源中起著非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员十分关心的问题。 50赫兹工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100赫兹，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电

8、容量高达数十万微法，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数万赫兹，甚至是数十兆赫兹。这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗- 频率”特性。要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。 普通的低频电解电容器在万赫兹左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电

9、流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。 在电源设计中,滤波电容的选取原则是： C2.5/fR 其中：C为滤波电容，单位为UF； f为频率，单位为Hz R为负载电阻，单位为 当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C5/fR。 由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器

10、承受大电流的能力。简易规则：1、理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。2、可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.3、大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大4、小电容，凭经验，一般 104 即可5、如果你 PCB 上主要工作频率比较低的话， 加两个电容就可以了，一个虑除纹波，一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流，建议再加一两个比较大的钽电容。3.3 去耦电容去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。

11、3.3.1 去耦电容蓄能作用的理解（1）有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。（2）而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，提供一个局部的直流电源给有源器件，这是第二位的。（这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一。）你可以把总电源看作水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，等水过来，我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，而器件VCC到

12、总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，阻抗Zi*wL+R，线路的电感影响也会非常大，会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。（3）去耦电容可以去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。3.3.2 去耦电容的选择高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是 0.1u， 0.01u 等，而去耦合电容一般比较大，是10u 或者更大有点矛盾，依据电路

13、中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。数字电路中典型的去耦电容值是0.1F。这个电容的分布电感的典型值是5nH。0.1F的去耦电容有5nH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1F、10F的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10F左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1F

14、，100MHz取0.01F。3.4 旁路电容可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路掉的电容，称做“旁路电容”。 旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，电子管或者晶体管是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压，为了在一个直流电源下工作，就在阴极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫做“自偏”，但是对（交流）信号而言，这同时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在这个电阻上并联一个足够大的电容，这就叫旁路电容。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，

15、把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling，也称退耦）电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。3.5 去耦电容与旁路电容的区别去耦电容：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。旁路电容：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流