芯片真的需要在同一个封装中使用多个值的去耦电容吗?

电器工程 pcb设计 去耦电容 高速
2022-01-05 15:25:22

这里提出了一个类似的问题:“两个旁路/去耦电容器”规则?但是这个问题是关于并联旁路电容器而没有提及封装尺寸(但答案大多假设并联部件具有不同的封装尺寸),而这个问题专门针对相同封装尺寸的并联旁路电容器。


我最近参加了一门关于高速数字设计的课程,讲师详细解释了电容器的去耦性能几乎完全受其电感的限制,而电感又几乎完全取决于其尺寸和位置。

他的解释似乎与许多数据表中给出的建议相冲突,这些数据表建议多个去耦电容值,即使它们具有相同的封装尺寸。

我相信他的建议是:对于每种封装尺寸,选择可行的最高电容,并将其放置在尽可能靠近的位置,而较小的封装则最接近。

例如,在莱迪思半导体的示意图中,他们提出了以下建议:

  • 470pF 0201
  • 10nF 0201
  • 1uf 0306

多个去耦电容

Q1:那个 470pF 电容真的有用吗?

Q2:用 0201 封装中的单个 1uF 电容器代替所有三个是否有意义?

Q3:当人们说较高值的电容器在较高频率下的用处较小时,其中有多少是由于电容造成的,又有多少是由于通常与较大电容器相关的封装尺寸增加?

4个回答

这是我一直在想自己的一个问题,我还没有找到答案。我用 LTSpice 进行了模拟以获得某种答案。我几乎随机选择了几个村田的电容器:4.7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html和 100nF https://psearch.en.murata.com/电容器/产品/GRM152B31A104KE19%23.html

我将两个电容的 ESL 设置为 300p,将 100 nF 的 ESR 设置为 30m,将 4.7 µF 设置为 8m。有了这些值,它们的阻抗似乎与 Murata 图表中的阻抗非常匹配。(确切地说,ESL 并不完全相同,但它足够接近,所以我将使用相同的值)

我只用 4.7 µF、4.7 µF + 100 nF 和 2 x 4.7 µF 进行了仿真。我在电容器之间添加了 1 nH 电感,以模拟连接它们的迹线。

在此处输入图像描述

结果很有趣,但不是很意外 在此处输入图像描述 添加 100 nF 会增加滤波,但反共振频率除外。添加另一个 4.7 µF 具有相同的效果,只是没有反谐振。100 nF 在其自谐振频率下工作得更好,但它的效果比反谐振损失的滤波性能要小。基于此,我只会添加更多更大的电容器。

但是,如果您在 30 MHz 时遇到了噪声问题,那么添加 100 nF 电容是有意义的,因为它确实可以很好地过滤该频率。

Q1:那个 470pF 电容真的有用吗?

在它的谐振频率上。如果在那个频率上没有噪音,那就没有那么多了。

Q2:用 0201 封装中的单个 1uF 电容器代替所有三个是否有意义?

添加两个 1 µF 0201 电容器可能会更好。然后,如果您确实在某个特定频率下遇到麻烦,您可以将其中一个更改为在该频率下具有 SRF 的电容器。您也可以将另一个不组装,但电容器很便宜,所以为什么要麻烦。

Q3:当人们说较高值的电容器在较高频率下的用处较小时,其中有多少是由于电容造成的,又有多少是由于通常与较大电容器相关的封装尺寸增加?

几乎与包装尺寸有关。当然,更高的 SRF 再次有帮助,但前提是您在该频率上有噪声。否则最好将最大电容加倍。

以下是莱迪思半导体建议的确切电容器的频率特性。如您所见,1µF 0306 电容器在任何频率下都优于两个较小的电容器。即使在共振频率下,它也能击败它们。

除了 0306 之外,还有 0201 电容器的唯一可行论点是,如果更小的尺寸可以将它们放置在更靠近负载的位置,从而降低 PCB 电感。

推荐电容器的频率特性

来源: https ://www.murata.com/en-us/search/productsearch/compare?cate=luCeramicCapacitorsSMD&comp=GRM033R71C103KE14%23,GRM033R71C471KA01%23,LLL185C70G105ME01%23

答案很简单:

  • 0201 尺寸没有 10nF NP0 介电电容器。

这些的最大容量约为 1nF。所以要么你需要一个更大的封装,要么你必须坚持使用 X7R 电介质,它在 >10MHz 时表现不佳。

阅读所有理论的重复答案,但这里有一个很好的经验法则:

较大值的电容器在较高频率下效果较差,当然较小值的电容器在较低频率下无效。

因此,不同的电容器各自为不同的频带提供稳定性。根据您的应用及其在不同频率下产生的“噪声”量,您需要应用具有特定值的电容器来稳定电源总线。

一般规则是至少 1-10uF 加上 100nF,但上面的示例对于具有高时钟速度的电路来说看起来相当不错。对于音频应用,您需要类似的东西,但具有更高的价值来支持对音乐频率的电源总线的需求。

Q1:是的,它消除了高频振荡和噪音。Q2:不,你可能有高频噪音的问题。

PS:小电容应放置在最靠近IC管脚的地方,以尽量减少电容管脚和IC管脚之间的电感。如有必要,可以将较大值的电容器放置得更远。