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在PCBLayout中，電容大約占元器件的30%。許多工程師雖然知道電容具有儲能濾波作用，但往往忽略了其具體用法、具體擺放位置和過孔設(shè)計(jì)的重要性，把電容直接放到電路板上就萬事大吉，從而導(dǎo)致實(shí)際工程中出現(xiàn)各種問題。 本文將先講述電容的基礎(chǔ)知識（只做簡單的回顧）、再講PCBLayout時退耦電容的位置擺放和過孔如何設(shè)計(jì)（本文的重點(diǎn)）（因篇幅關(guān)系對電容的種類選型不做講述），最后介紹盤中孔工藝并分析其優(yōu)勢（以嘉立創(chuàng)的盤中孔工藝為例）。 一、電容的基礎(chǔ)知識定義：電容器在外電源作用下，正負(fù)電極上分別帶上等量異號電荷，撤去電源，電極上的電荷仍可長久地聚集下去，是一種儲存電能的部件。 其中C是電容，單位是法拉；S是極板面積，單位是平方米；d是極板間的距離，單位是米；εr是相對介電常數(shù) 。 注：電導(dǎo)體由絕緣材料分開就可以產(chǎn)生電容。 電容兩端的電壓等于聚集的電荷除以電容的容量。 單位換算： 1F=106uF=109nF=1012pF 常說的104電容指的是10*104pF=100nF 理論部分的知識進(jìn)行補(bǔ)充，工程實(shí)踐中用到哪學(xué)到哪。 作用： 儲能濾波：儲存電能，在需要時釋放，可以濾除電源中的低頻噪聲，提供更穩(wěn)定的電源電壓。 去耦和旁路：電容用于去耦電源和信號線，減少電源噪聲對信號的干擾，或本級對下一級的干擾，是噪聲的重要泄放通道。 移相：在交流電路中，電容可以改變信號的相位。 等等。 （本文中只講濾波和去耦旁路，其他不做過多描述） 二、濾波、去耦和旁路的區(qū)別技術(shù)資料上，經(jīng)常能看到濾波電容、去耦電容(decouple)和旁路電容(bypass)三種名稱。他們都不是電容的類型，而是設(shè)計(jì)者根據(jù)所起的作用不同進(jìn)行人為的劃分。 濾波電容一般容值比較大，用來濾除低頻信號的紋波。去耦和旁路也屬于濾波，但通常所說的濾波電容會優(yōu)先想到容值大的電容。 去耦電容,其作用是為保證器件穩(wěn)定工作而給器件電源提供的本地“小池塘”。在高速運(yùn)行的器件上，會不斷產(chǎn)生快速變化的電荷需求，對于這種快速的需求，電源模塊無法及時給器件提供電流以補(bǔ)充，只能依靠器件附近的電容給予解決。 可以把電容理解成平時灌滿水的小池塘,一旦小池塘附近的莊稼缺水,能立刻從小池塘得到補(bǔ)充,而無需求助遠(yuǎn)方的水廠。去耦電容還有另一個作用,是為高速運(yùn)行器件產(chǎn)生的高頻噪聲提供一條就近流入地平面 旁路電容,其作用是為前級(如電源產(chǎn)生的高頻噪聲等干擾)提供一條流到地平面的低阻抗路徑，以避免這些干擾影響正在高速工作的器件。 從以上描述可以看出,去耦電容和旁路電容沒有本質(zhì)的區(qū)別,從應(yīng)用上說,依據(jù)公式Z=1/(2πf*C),其中f是器件工作頻率,它們在高頻下的作用都是為電路中的干擾提供一條流回地平面的低阻抗回路。 以工程上芯片周邊經(jīng)常使用104電容和10uF電容為例：10uF電容對于芯片主要起濾除低頻干擾和蓄能的功能。0.1uF電容起濾除較高頻段的噪聲干擾。 對于電路中的濾波電容、旁路電容和去耦電容，倒不用太過于糾結(jié)與死磕。在自己的認(rèn)知體系中靈活運(yùn)用，能夠解決問題才是根本。 三、電源退耦時電容擺放及過孔設(shè)計(jì)：1.對電容位置擺放的要求：退耦路徑的環(huán)路面積盡可能地小，比電容和芯片實(shí)際空間距離更重要（此處打勾的圖，實(shí)際上過孔是有些缺陷的，有些如濾的感覺，下文過孔設(shè)計(jì)會指出原因，大家評論區(qū)也可以指出來，順帶分享你們平時怎么打過孔的，一起交流）。 一定不要讓退耦電容如同虛設(shè)，否則假裝濾除了高頻信號，實(shí)際沒有起到作用。 3.降低過孔引入的寄生電感過孔就近接電源層，盡可能較少引出現(xiàn)帶來的額外環(huán)路面積；嚴(yán)禁多個電容共用過孔（會引入公共路徑感抗）；由上可知，如果工藝允許，可以直接將過孔打在焊盤上，降低感抗效果最好。這種工藝叫盤中孔。 4.分析盤中孔工藝以往的老工藝把過孔打到焊盤上是不行的，但現(xiàn)在工藝進(jìn)步了。以嘉立創(chuàng)的盤中孔為例，打過孔之后會在孔內(nèi)塞樹脂或者銅漿，然后進(jìn)行電鍍蓋帽，從電路板表面看不到過孔的存在，在SMT貼片時不會存在漏錫的問題。 盤中孔工藝具有的優(yōu)勢： 高密度布線：盤中孔工藝允許在有限的PCB面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高密度的布線，適用于高密度電路設(shè)計(jì)。 減少寄生效應(yīng)：盤中孔可以減少寄生電感和電阻，提高電容的濾波效果。 提高可靠性：盤中孔工藝可以提高PCB的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能，增加電路的可靠性。 優(yōu)化散熱：盤中孔有助于優(yōu)化電路的散熱設(shè)計(jì)，減少熱量積聚，提高電路的穩(wěn)定性。 四、結(jié)論在PCB設(shè)計(jì)中，需要合理擺放電容位置，并設(shè)計(jì)過孔，必要時結(jié)合盤中孔工藝提高電路的濾波效果和整體性能。 |
