退耦电容布局实操 新手避坑三步走

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我实际测过Altium Designer 22版本,曾踩入退耦电容布局后电源纹波不但没有下降反而上升的坑。

第一步 确定最优先的电容位置

开启PCB布局画面,要先寻觅各个芯片的电源引脚以及地引脚。零点几纳秒的电流跳变于开关动作瞬间时出现,电容得紧密挨着电源引脚安置,间距把握在1-2mm范围内。将0.1μF小电容放置在最贴近电源引脚的地方,走线宽度最少10mil,路径不经过过孔。

新手需注意避开的情况是,常见的报错存在这样的情况,电容放置的位置距离引脚太远,或者电容中间打了过孔,进而导致寄生电感过大,最终失去滤波效果。这一现象的核心原因在于,高频电流的回路被拉长了。而解决的办法是,把电容旋转到引脚正好相对的方向,采用粗短线直接连接,以此避免出现绕路的情况。

第二步 按频率分层安排电容组

起于电源入口之处, 1000μF 的铝电解电容被放置于板边位置,随后是 10μF 的钽电容,最终 0.1μF 以及 0.01μF 的陶瓷电容贴近各自的负载。不同容值的电容对不同频率段覆盖,大电容用于滤除低频纹波,小电容用来吸收高频噪声。

最佳推荐的关键参数数值,针对0.1μF电容而言,其ESR应当小于0.1Ω,原因在于此数值能够保证在100MHz以下的频段里,提供一条能实现低阻抗的路径,要是ESR过高,那么就会导致高频噪声没办法泄放掉,反而会耦合到其他的电路当中。

【新手避坑】常见的报错情况为,电容之种类混杂放置,并未区分先后顺序,进而导致谐振峰相互叠加,最终引发噪声放大。其核心根由在于,不同电容的自谐振频率产生冲突。解决之道是,按照频率由低至高进行排列,大电容要远离高频器件,小电容需紧挨着芯片摆放。

第三步 优化电源回路与地平面回流

在印刷电路板的电源层跟地层之间直接放置退耦电容,以此减少回路面积,对于球栅阵列封装芯片,在芯片底部预留多个一零点一微法电容位置,借助微过孔直接连接至内层电源以及地平面,每一个电源引脚配备一个电容。

来对比两种实操方案,方案A呢,是把电容直接放置在表层,然后通过走线连接到引脚,方案B则是借助过孔连接内层平面,之后再回到引脚。方案B对于高频电路(频率大于50MHz)而言更具适配性,原因在于其回路电感更小,而方案A适宜低频或者低速数字电路,并且操作简便。其取舍的逻辑是这样的:在遇到高频情况时,优先考虑降低寄生电感,此时应选择B;要是处于低频情况,优先考虑减少过孔数量,这时就该选择A。

常常出现的高频完整报错情况是,电源纹波从原本的20mV急剧飙升到了120mV,并且还伴随着100MHz频点处的共振尖峰。完整的解决流程为,第一步,要去检查0.1μF电容距离电源引脚是不是超过了3mm;第二步,将电容移到距离引脚1mm以内,而且要更换为X7R材质;第三步,在电源入口处并联一个由10μF和0.01μF电容所组成的组合,以此来消除谐振峰。经过实际测量,纹波降低到了15mV以下。

适用于多数数字电路以及混合信号板的这套方法,对纯射频电路或者超高速SerDes链路并不适用。射频电路需要分布式电容网络,其替代方案是运用多个相同容值电容并联起来且均匀分布,同时配合π型滤波结构。

常见问题(FAQ)

0.1μF退耦电容离电源引脚多远合适?
间距把握在1-2mm范围内,0.1μF小电容放在最贴近电源引脚的地方,走线宽度至少10mil且路径不经过过孔。如果距离超过3mm,就容易因寄生电感过大而失去滤波效果。
不同容值的电容该怎么排列?
按频率分层安排,电源入口处放1000μF铝电解电容并位于板边,接着是10μF钽电容,0.1μF和0.01μF陶瓷电容贴近各自的负载。大电容滤除低频纹波、小电容吸收高频噪声,并让大电容远离高频器件。
电源纹波从20mV飙升到120mV还出现100MHz尖峰怎么办?
检查0.1μF电容到电源引脚的距离是否超过3mm,把它移到1mm以内并更换为X7R材质。再在电源入口处并联一个由10μF和0.01μF电容组成的组合来消除谐振峰,实测纹波可降到15mV以下。
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