概念:电容:无论空间有多远,任何两个具有电压差的导体都存在一定量的电容。
9 K6 M9 m7 ]9 y; ^9 aC:表示的是电容量,即存储的电荷与电压的关系的比值。当电压越大,可存储的电荷越多。) v- s! O+ y' F
影响电容量因素:两个导体距离、两个导体重叠的面积、两个导体重叠面积之间的介质。, m9 I" H P& M) l# H
距离越近、重叠面积越大、介质介电常数越大,则电容越大。
, |* V( R$ i+ {2 G8 t理解:减少互容的方式根本上为三条:1.拉开距离;2,减少空间上的重叠面积;3.选择低介电常数的板材;基本上PCB设计所采用的方式为1和2.) I5 i1 ]6 B8 k/ C4 a2 z P* [; |5 s
电容中的电流) L. P) W+ @9 G, l C. c
流经电容器的电流 I= dQ/dt=C*dV/dt5 C! A4 l" d* ?8 P6 y5 S: E
I:表示流过电容器的电流;
7 l+ Q/ w( {9 }! m! gd Q:表示电容器上电荷的变化量;1 Z1 P6 g$ E3 m- c) f: v* t
dT:表示电荷变化经历的时间;& p" V) J4 d6 T5 L. U
Dv:表示电压变化值;1 g" p3 g5 Y, Z. Q: G4 H. w& P) F5 b
Dt:电压变化所经历的时间。) {! s! r: \) R0 w
理解:其实电容除了漏电流的存在,本身并不流过电流。以上所说的电流,只不过为了计算方便而采用的数学值。从原理上考虑,因为异相相吸,在正电荷聚集的地方,肯定会有负电荷聚集。而负电荷的运动,造成了负极的电流流动。(负电荷的聚集造成了使流过电容的频谱呈-90相位)。从表面上看,就像电流流过电容器一样。但是理想电容器本身不消耗能量,所存储的能量,在外界适合的时候会向外送出,这时电容器负极也会将所聚集的负电荷释放。一收一放,就把能量传递过去了。; e' H3 Z" W8 m( M* c* Z) r
平行板电容
9 B t% a) T1 |) x( U# h* f公式:C=E0Er*A/H C= (ε_r ε_0 A)/H C:电容量; E0空气介电常数;Er 介质相对介电常数;A,平板面积。" a4 E+ p$ y, F
H平板间距。
" H2 ]; f% {/ g4 D由于板周围存在边缘场,实际电容要大于近似值,当平行板间距与板厚想当时,板周围的边缘场产生的电容量与平行板近似预测的电容量相当。) F5 k3 P% c0 L, F9 X. p. u
理解:考虑边缘场,就要从电场和磁场角度来考虑,由于板并不是理论上的厚度为0的理想状态,所以板的边缘肯定也会发出磁力线向周围空间扩展,当四边的磁力线被底板接收到时,就相当于增加了底板所接收的电场磁场。变相的增加了聚集电荷的能力,所以电容增加了。# D" l* M" C2 s5 b$ J, A( ` {$ V
但这个值不好计算。" |4 O8 }% K1 ~
&……*%……&***去耦电容的计算:……&%……&%¥¥%
7 Z, @& L( O' z% mδt=C*裕量*V^2/P t:表示电压下降量达到电源电压裕量的时间,单位秒;
* K0 O9 K4 Y" C4 A" uC表示去耦电容量,单位为F; 裕量:芯片的电源电压与最小供电电压的比值;4 E3 W1 p6 E+ H" c- R
P表示芯片的平均功率;V表示电源电压。
3 i" c/ n. U X理解:本公式可以计算去耦电容的值,对于经验用法上的10UF去耦电容,可以省略了。直接用这个来计算所想要的确切的值,留出足够的裕量,那么一个小功率的芯片完全可以采用5UF或1uF 来去耦,即可以降低成本又可以减少PCB板上的空间。
3 ]+ e6 P5 k) e9 X4 v% _( WT 所表示的时间需要参考电源芯片,即电源芯片的反应时间。: `) P I1 ~" @" J4 q# ?
通过上面的公式,即可以设计选型电源芯片的型号。
9 |& [, {4 z& ?7 R# i4 ~单位长度电容。
0 l2 L A# G9 c单位长度电容是形容单位长度传输线的电容量。公式:C_L=C/L) b+ _ X5 e0 L! h
CL:单位长度电容 单位PF/in ;(单位可自己设定);
4 B, ?: g1 m. p3 Z+ `$ DC:传输线与返回路径之间的电容量 ; L 传输线长度。
5 K6 L0 h! u, D4 H- F1 t v7 ^( |2 ~% g. e* o
同轴电缆计算公式:CL=(2πε_0 ε_r)/(ln(b/a)) a:内部信号导体的半径;b:外部返回导体的半径。
' J. f2 c6 ~; Y8 p8 z# f: }! x! c微带线计算公式C_L=(0.67(1.41+ε_(r )))/(ln{(5.98*h)/(0.8*w+t)})≈(0.67(1.41+ε_(r )))/(ln{7.5(h/w)})
( s% C: {; }0 p% q7 t, NCL:单位长度电容,单位为PF/in; ε_(r ):表示绝缘材料的相对介电常数;2 ~, A( @3 }$ c2 h% D
h:表示介质厚度;单位为mil;w表示线宽单位为mil;# l/ P; T, r" _) w5 f4 r5 P0 c1 `
t表示导体厚度单位为mil。
& f% i" g7 U3 O5 h带状线计算公式C_L=(1.4ε_(r ))/(ln{(1.9*b)/(0.8*w+t)})≈(1.4ε_(r )))/(ln{2.4(b/w)})
" a+ ?- }7 l+ @- aB:表示介质厚度;其余同上。
3 W* @3 c6 r7 @5 h3 y5 A经验公式:微带线线宽如果是介质厚度的两倍即(w=2h)介电常数为4,则单位长度电容Cl=2.7pf/in 。这时微带线近视50欧姆特性阻抗。
, H4 R9 Z+ ^3 f2 U3 v: i. P" ?1 E- k带状线:如果介质厚度是线宽的2倍,即b=2w;单位长度电容为3.8pf/in ;相当于特性阻抗50欧姆。
, A! y0 f) U" \' _. ?7 S( K经验法则:50欧姆特性阻抗单位长度电容大致为3.5PF/IN 。
7 |: m* k; ]" P0 N理解:特性阻抗的经验算法,只是大概。如果要是要求高精度,最好是实际测量,其次是计算。因为公式也是近视的。特别是板材的介电常数,随着制造工艺而有所不同。理论上裕量足够的情况下可直接采用理论算法来估计。 [% |7 H% [" h/ i
理解:微带线经常因为刷阻焊,或者由于蚀刻。导致介电常数和介质厚度都不是常量。所以特性阻抗仅仅能预估计。如果想要精确的阻抗控制,那传输线必须走带状线,否则制造不出完美的50欧姆特性阻抗的微带线。' {, P( T6 G" H
理解:电容量的值跟下平面接收电力线的多少有直接关系,与介电常数有直接关系。如果按照电磁场方向来看,即可完美理解电容量的变化。
0 s( G' Y$ ]! |# @, A& X& y4 r* j) y0 m) i
小结:
4 c8 k$ ~6 ~1 h. g: z1.电容是对两导体间存储电荷能力的度量。
, O$ v; D. h; b" ]% `2 m" l2.电容量是对流动电流大小的度量。 ^" i i- i: G9 L/ t
3.导体间的电压发生变化时,便有电流流过电容器。
1 s6 N A) U$ I, R! S: I4.本章的公式都为近似值,若要求精度为10%到20%就不应使用近似。+ n6 H) W: |% ]
5.一般来说,导体间距越大,电容量越小;导体间重叠的面积越大,电容量也越大。9 i* F2 A, n0 f l3 M' k
6.介电常数是材料固有特性,它反映的是材料使电容量增加的程度。
* ^. T9 `* J1 ?1 E5 m7.电路板上的电源平面和地平面间是有电容存在的,但这个量非常小,两平面的作用是提供低电感回路,而不是提供去耦电容。
N5 f b9 D5 a# f/ t. n8.若要求精度优于10%,就不应该使用IPC的带状线和微带线公式;
0 ]% j, r! Y# d3 i+ E9.用二维场求解器,可以用来计算均匀传输线结构的单位长度电容。其精度优于1%;
; s+ C& N; O+ g10.若微带线的厚度增加,单位长度电容也将增加,但增加的幅度非常小。
, a6 u" H: Q2 r. k! L, V. O11.当微带线的涂层厚度与线宽一致时,电容量将增加20%;; l4 ^( y* `" m
理解:IPC的公式精度为10%,在设计时能满足至少15%的精度。( l' y; n( s# U7 ]- _
微带线涂层假设不够厚时,电容量增加的并不是很严重。
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