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為什么芯片電源腳要放置0.1uF的電容

ARM與嵌入式 ? 來(lái)源:ARM與嵌入式 ? 2023-07-15 17:02 ? 次閱讀

我們?cè)?a target="_blank">電源濾波電路上可以看到各種各樣的電容,比如100uF、10uF、100nF、10nF不同的容值。那么,這些參數(shù)是如何確定的呢?

數(shù)字電路要運(yùn)行穩(wěn)定可靠,電源一定要“干凈”,并且能量補(bǔ)充一定要及時(shí),也就是濾波去耦一定要好。什么是濾波去耦?簡(jiǎn)單地說(shuō),就是在芯片不需要電流的時(shí)候存儲(chǔ)能量,在需要電流的時(shí)候又能及時(shí)地補(bǔ)充能量。

有讀者看到這里會(huì)說(shuō),這個(gè)職責(zé)不是DC/DCLDO的嗎?對(duì),在低頻的時(shí)候它們可以搞定,但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。

下面,我們先來(lái)看看電容。

電容的作用,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是存儲(chǔ)電荷。我們都知道,在電源中要加電容濾波,在每個(gè)芯片的電源腳放置一個(gè)0.1uF的電容去耦。但是,怎么有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF或者0.01uF的,這里有什么講究嗎?

要搞懂這個(gè)問(wèn)題,就要先了解電容的實(shí)際特性。理想的電容它只是一個(gè)電荷的存儲(chǔ)器,即C。而實(shí)際制造出來(lái)的電容,卻不是那么簡(jiǎn)單了。分析電源完整性的時(shí)候,我們常用的電容模型如下圖所示。

wKgZomSyYJuAUUteAAARsxjKjh8387.png

在上圖中,ESR是電容的串聯(lián)等效電阻,ESL是電容的串聯(lián)等效電感,C才是真正的理想電容。ESR與ESL是由電容的制造工藝和材料決定的,沒(méi)辦法消除。

那么,這兩個(gè)東西對(duì)電路有什么影響呢?

ESR影響電源的紋波,ESL影響電容的濾波頻率特性。

電容的容抗:

Zc=1/ωC

電感的感抗:

Zl=ωL,ω=2πf

實(shí)際電容的復(fù)阻抗為:

Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πf L-1/j2πf C

可見(jiàn),當(dāng)頻率很低的時(shí)候,是電容在起作用;而頻率高到一定程度時(shí),電感的作用就不可忽視了;再高的時(shí)候,電感就起主導(dǎo)作用了,電容就失去濾波的作用了。所以記住,高頻的時(shí)候,電容就不是單純的電容了。實(shí)際電容的濾波曲線如下圖所示。

wKgaomSyYJuAMoS4AADGMTuDYuU677.png

如上面所述,電容的等效串聯(lián)電感是由電容的制造工藝和材料決定的。實(shí)際的貼片陶瓷電容,ESL從零點(diǎn)幾nH到幾個(gè)nH不等,封裝越小,ESL就越小。

從上圖可以看出,電容的濾波曲線并不是平坦的,它像一個(gè)V。也就是說(shuō),有選頻特性。有時(shí)候,我們希望它越平越好(前級(jí)的板級(jí)濾波);而有時(shí)候,則希望它越尖越好(濾波或陷波)。

影響這個(gè)特性的,就是電容的品質(zhì)因素Q:

Q=1/ωCESR

ESR越大,Q就越小,曲線就越平坦。反之,ESR越小,Q就越大,曲線就越尖。

通常情況下,鉭電容和鋁電解有比較小的ESL,而ESR大,所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍,非常適合前級(jí)的板級(jí)濾波。

也就是說(shuō),在DC/DC或者LDO的輸入級(jí),常常用較大容量的鉭電容來(lái)濾波。而在靠近芯片的地方,放一些10uF和0.1uF的電容來(lái)去耦,陶瓷電容有很低的ESR。

說(shuō)了這么多,到底在靠近芯片的管腳處放置0.1uF,還是0.01uF呢?列出下表以供參考。

wKgZomSyYJuAQhv1AACgSRSsLjA582.png

所以,以后不要見(jiàn)到什么都放0.1uF的電容。有的高速系統(tǒng)中,這些0.1uF的電容根本就起不了作用。

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:為什么MCU芯片附近要放一個(gè)0.1uF的電容?

文章出處:【微信號(hào):ARM與嵌入式,微信公眾號(hào):ARM與嵌入式】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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