滤波电容/去耦电容,怎么选型?
前面的文章里,我们讲过一些电容的用法:
滤波电容主要看容值和耐压值。
电容尺寸=容值x耐压值。
电容价格=容值x耐压值。
电解和钽电容耐压值要x2使用,陶瓷电容至少x1.5.
(有兴趣的读者可以翻看一下我们前面的文章)
这些电容用多大的?用多少个?
各种处理器背面或周围的电容阵列
各种处理器背面或周围的电容阵列
容量很多种,个数也很多,作为硬件工程师,该怎么选呢?
滤波电容的容量,不是随便选的,主要有以下应用思路:
频率越高,电容越小
频率和容值的经验值
单颗电容,不足以过滤掉所有的杂波。
电容有寄生电感,虽然电容能够把交流信号导到地上去,但是寄生电感又阻挡了高频交流信号的通过。
这就导致了:理想电容能够过滤全部高频信号,但实际电容过滤某个频段的高频信号。是个带通滤波器。
电容容值越小,能够过滤的高频信号越高。
uF级的电容,对10MHz以上的噪声几乎无能为力。
功耗/电流越大,电容越大
电流和容值的经验值
电容的滤波,实际上也是一个储能和释放的过程。所以电流大的场合,就需要用大的电容。这个无需过多解释了。
放几个?每一组芯片管脚加一组电容
滤波电容也叫去耦电容,去耦的意思,就是不让不同的芯片管脚之间互相干扰。一方面这颗芯片不干扰另一颗芯片,另一方面同一芯片的不同电源系统之间也不互相干扰。
所以基本原则是:每一组管脚配置一组电容。
听起来挺麻烦,不过芯片厂家都会提供参考设计的。对于CPU类的几GHz高速处理器,供电部分的需要单独做仿真,根据仿真结果调整走线长度宽度和外部去耦电容的位置、数量、容值等。
想偷懒,就严格按照参考设计来画原理图和PCB走线。
精力充沛的可以自己去做仿真。
音频功放,差分输出采用2组独立供电。
上图:音频功放,虽然只输出一个声道,但是把电源分成了两组,分别和P和N两个差分输出端供电,减少差分信号之间的串扰。
DDR3,一个电压,多个电容组合
如上图,DDR、CPU等高速芯片,都需要特定的电容排布和PDN电源系统仿真。如上图的那些密密麻麻的电容阵列,都是这么来的。
电容的黄金搭配:
对于非CPU类型的设备,如果没有参考设计,可以采用“大 中 小”这个黄金组合。
10uF 100nF 100pF,数字电路的万金油配置。
细节上,根据上面讲的电流和频率的表格,再做细节调整,准不会出现太大的问题。
电池给射频功放供电的输入端。
大的用来稳压,中的过滤数字信号产生的杂波,小的用来过滤射频信号产生的耦合干扰。
案例:
主供电输入
高通骁龙6系智能音箱20V输入端,2个很大,2个大的,1个中的。因为没有强射频干扰,并且GHz级别的射频对DC-DC的输入也没啥影响,所以没有pF级别的电容。
主供电输出
上面智能音响的供电输出端,20V转4.2V,当作是电池电压,给CPU供电。骁龙6系原本是手机芯片,所以把DC电压转换成电池电压。
3个大的电容,2个中的电容。(实话说,我个人觉得这个设计过于冗余了。)
锂电池供电、带移动通信网络的设备,电源输出典型配置。一个很大,一个大,一个很小。不带移动通信的设备,33pF可以不要。
大电流、大变化设备供电输入
25W音频功放主供电输入端。低频瞬间功率比中高频大,所以低频采用390uF x2,中高频采用220uF x2,每个都带有一个100nF滤除数字部分的噪声。
中小电流设备输入供电
高通QCA9379双频WIFI供电部分。每一路3.3V电源都有独立的去耦电容和独立的滤波磁珠,电源星形布局,尽可能的减少电源之间的串扰,加强了功放电源、数字电源和模拟电源之间的隔离度。
电流大的地方,电容用的也大一些,电容小的地方,电容用的也小。
数字电源部分,采用了100nF电容滤除数字噪声。
滤高频干扰
手机小功率音频输出,1.5W小功率D类功放。
熟悉音频功放的朋友都知道,D类功放输出的是方波,毛刺巨大。所以加了1nF滤除毛刺。并增加了33pF滤除手机最容易产生通话电流音的GSM频段干扰。
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