饋通電容英文名稱為Feeder Capacitor,也叫貫通電容、穿心電容,因為有3個引腳,也被稱為三端電容(3 Terminal Capacitor)或三端子電容;饋通電容是一種特殊結構的電容器,在普通電容器基礎上增加了一個引腳,其中兩個引腳貫通了同一電極。雖然這是一個微小的細節改變,卻從結構上縮短了信號環路,使電容器的濾波效果發生了明顯的改善。
饋通電容的出現,首先要從iPhone說起,從下圖可以看到iPhone4和iPhone5都還是使用普通的MLCC貼片電容。
2015年9月9日iPhone 6s發布,發現在該款手機中大量使用了饋通電容,該設計也成為了其他廠商競相模仿的對象,可見iPhone人家不僅軟件厲害,硬件也是不容小視的。蘋果手機的設計改變一定程度上預示著未來的發展方向,饋通電容以其優異的性能,可以預見在將來的移動端會得到更加大規模的使用。
那么三端電容器究竟好在哪里?實際上就是它的ESL低,理想的電容,隨著頻率的增加,阻抗越來越低,見下圖的阻抗頻率曲線。
然而實際電容是有寄生參數的,下圖是電容的簡化等效模型,由于串聯等效電阻ESR和串聯等效電感ESL的存在,使得電容的阻抗頻率特性產生了巨大變化。
下圖是實際電容的阻抗頻率特性,我們可以看到在低頻段,電容起主導作用,阻抗隨著頻率增加而降低,然而高頻段是電感起主導作用,阻抗隨著頻率增加而增加,這部分正是我們不希望看到的。
普通MLCC性能對于常見的電容來說,都是有兩個端口,普通的引線型陶瓷電容器(二端子)結構如下圖。
由于其引線端子部分帶有微小的殘留電感,因此在作為旁路電容使用時,會與地面產生電感。在電容器的插入損耗圖中,由于實際的電容器是存在殘留電感的,會產生干擾,降低頻率性能。因此,會產生如上圖所示的V字形插入損耗曲線。
饋通三端子電容器是為改善二端子電容器的高頻特性而對引線端子的形狀進行改進后形成的陶瓷電容器。如圖所示,三端子電容器在單側引出兩根引線端子。將兩根引出的引線分別連接至電源和信號線的輸入、輸出端,將相反
一側接地,即可形成如圖所示的等效電路圖。通過這種連接方式,兩根引線側的引線電感將不進入大地側,由此可極大地減小接地電感。此外,它有三根引線,其中一個電極上有兩根引線。這樣一個微小的改變,卻使電容器的濾波效果發生了很大的改善。普通電容的引線電感對于電容的高頻濾波的作用是有害的,而三端電容卻巧妙地利用了引線電感,構成了一個T型低通濾波器,能夠起到降低干擾的作用。
因為三端子電容結構特殊,縮短了電流路徑,使得ESL具有并聯的特性,進而減小了ESL,使得高頻特性好。
我們對比下22uf的兩端子電容和三端子電容的阻抗差異,如下圖所示,可以看到普通兩端子電容在1.05Mhz 處阻抗大約3mohm,饋通三端子電容諧振頻率高一些,在3Mhz處阻抗只有大約2mohm;最主要的高頻部分,兩端子電容在1Ghz處甚至超過了1ohm,而三端子電容只有110mohm。
使用了低ESL的饋通電容后,可維持與2端子電容相同功能的同時,并極大減少電容元器件數量,這在寸土寸金的移動端PCB板來說極為重要。如下圖所示,使用饋通電容后,可以將電容數量從100個減少到32個。
使用片狀三端子電容器優化旁路電容器
旁路電容器性能比較,這方面三端電容器性能也非常優秀,從下圖中可以看到兩個1uF的普通電容和一個1uF的饋通電容的波形效果。
饋通電容出現的時間比較短,價格成本高也是阻礙其廣泛應用的一個主要原因,也只是在一些高檔手機上才能見到,隨著使用量的提高和工藝的提升,相信它的價格也會不斷下降的。
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