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电源完整性设计之电容的安装谐振频率

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发表于 2015-6-10 14:34:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
上一节介绍的是电容自身的参数,当电容安装到电路板上后,还会引入额外的寄生参数,从而引起谐振频率的偏移。充分理解电容的自谐振频率和安装谐振频率非常重要,在计算系统参数时,实际使用的是安装谐振频率,而不是自谐振频率,因为我们关注的是电容安装到电路板上之后的表现。

电容在电路板上的安装通常包括一小段从焊盘拉出的引出线,两个或更多的过孔。我们知道,不论引线还是过孔都存在寄生电感。寄生电感是我们主要关注的重要参数,因为它对电容的特性影响最大。电容安装后,可以对其周围一小片区域有效去耦,这涉及到去耦半径问题,本文后面还要详细讲述。现在我们考察这样一种情况,电容要对距离它2厘米处的一点去耦,这时寄生电感包括哪几部分。首先,电容自身存在寄生电感。从电容到达需要去耦区域的路径上包括焊盘、一小段引出线、过孔、2厘米长的电源及地平面,这几个部分都存在寄生电感。相比较而言,过孔的寄生电感较大。可以用公式近似计算一个过孔的寄生电感有多大。 公式为

其中:L是过孔的寄生电感,单位是nH。h为过孔的长度,和板厚有关,单位是英寸。d为过孔的直径,单位是英寸。下面就计算一个常见的过孔的寄生电感,看看有多大,以便有一个感性认识。设过孔的长度为63mil(对应电路板的厚度1.6毫米,这一厚度的电路板很常见),过孔直径8mil,根据上面公式得:

这一寄生电感比很多小封装电容自身的寄生电感要大,必须考虑它的影响。过孔的直径越大,寄生电感越小。过孔长度越长,电感越大。下面我们就以一个0805封装0.01uF电容为例,计算安装前后谐振频率的变化。参数如下:容值:C=0.01uF。电容自身等效串联电感:ESL=0.6 nH。安装后增加的寄生电感:Lmount=1.5nH。

安装后的总寄生电感:0.6+1.5=2.1nH。注意,实际上安装一个电容至少要两个过孔,寄生电感是串联的,如果只用两个过孔,则过孔引入的寄生电感就有3nH。但是在电容的每一端都并联几个过孔,可以有效减小总的寄生电感量,这和安装方法有关。

可见,安装后电容的谐振频率发生了很大的偏移,使得小电容的高频去耦特性被消弱。在进行电路参数设计时,应以这个安装后的谐振频率计算,因为这才是电容在电路板上的实际表现。

安装电感对电容的去耦特性产生很大影响,应尽量减小。实际上,如何最大程度的减小安装后的寄生电感,是一个非常重要的问题,本文后面还要专门讨论。
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