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。
* P Z b; [( ]4 \9 v# y/ E9 ZC: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。
8 s/ C. S5 ]4 `7 N: j: M( o0 s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。
+ G7 o) _0 J8 Z1 d7 g距离越近、重叠面积越大、介质介电常数越大,则电容越大。
# j8 @* P ^, J/ E, 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.
# V/ H9 [. q/ G' P; N0 C8 B 电容中的电流# X& C: N1 h" I7 Y6 m$ ?
流经电容器的电流 I= dQ/dt=C*dV/dt
. |5 R4 @* n; ^7 @" {+ HI:表示流过电容器的电流;
! c$ @3 Z, r9 jd Q:表示电容器上电荷的变化量;5 _; y; R+ J$ L
dT:表示电荷变化经历的时间;
4 R% _. G; [ v0 A% S7 oDv:表示电压变化值;7 A( U% W+ x* G; ~, U$ y
Dt:电压变化所经历的时间。6 o# U4 q' P8 N) b7 a* \0 Y# o
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。
# o9 k9 f& x1 y- m+ |0 ]; D1 n平行板电容
# ~6 }+ [3 k. s8 `# \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。1 W7 F1 c" ~: A# B
H平板间距。% G7 ?& x k" x$ p4 A+ Z3 x9 S# D+ k
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。
1 Q- }4 i5 D, z. I4 b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。
" m+ w0 M3 {. Z8 n但这个值不好计算。
$ c( v9 x5 w, L$ g&……*%……&***去耦电容的计算:……&%……&%¥¥%. z' p" t1 a! w2 M3 P
δt=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;5 {" i/ I' n& b/ T. N
C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;9 h d6 @6 b5 O' |4 R$ r" ~7 z( \
P表示芯片的平均功率;V表示电源电压。
5 `* n% I3 E. g" z4 k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。
) Q( e2 I0 s2 z3 nT 所表示的时间需要参考电源芯片,即电源芯片的反应时间。7 _; m' x% c; V+ o$ e
通过上面的公式,即可以设计选型电源芯片的型号。
3 O5 Q, H3 {- l7 r% @单位长度电容。
, @. {/ r; E& O h' E5 m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: C! |: h# m2 t) P8 X; \
CL:单位长度电容 单位PF/in ;(单位可自己设定);
, x# H: x" C; O# ]7 d3 cC:传输线与返回路径之间的电容量 ; L 传输线长度。: u! _7 b+ s$ l% O; X. b* H; y
5 j% r ]: x7 _
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。
5 E x/ \* e& l ]! h" |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)})7 ~, m! @2 n1 l7 b8 V" D% V0 K3 | L- _
CL: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;
7 I/ k% M8 ]/ w5 C- q* _h:表示介质厚度;单位为mil;w表示线宽单位为mil;' i# \+ {0 H1 n# e
t表示导体厚度单位为mil。
+ y4 _# m7 U' d2 C2 V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)}) . p2 w' M8 A( A* ~
B:表示介质厚度;其余同上。8 J3 Y) H1 K7 ], z- q; d3 R* I
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。. \8 Y8 h4 A9 V( h* l) d$ u0 f
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。7 }- o( v6 k9 B& ^
经验法则:50欧姆特性阻抗单位长度电容大致为3.5PF/IN 。$ [7 v0 W7 f# A6 D6 v
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。
' K2 M# g$ f; \+ L7 Z5 L2 X+ k/ ?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。
. l% A& Q$ h- j$ W6 ]: ^5 l8 I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。' W) @: M) D4 i G. m
, W* [) I7 ]- [2 v1 `; ^( ]: J' O8 S7 Z小结:3 f% P, I" t+ C! V
1.电容是对两导体间存储电荷能力的度量。, w% h8 I, s; J# A! U n
2.电容量是对流动电流大小的度量。
. q+ B. m3 Z- V |+ N6 a7 q# q3.导体间的电压发生变化时,便有电流流过电容器。& u5 I2 {; D4 d# M' }3 D# \
4.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。; _' c7 Y4 R. Q/ P) R9 a
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。
* S& }6 T: l: ~6 y: x) H8 G( `' g6.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。
* k# J2 J/ s' u$ D7 A8 O( M) O7.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。
# \4 F g, Q6 x6 e2 A8.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;! I+ u2 B, D: p, `7 }( _
9.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%;
( m5 r1 o( a+ h10.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。* ~* `- E: }6 z4 V
11.当微带线的涂层厚度与线宽一致时,电容量将增加20%;
0 q- m: F. _5 A" J理解:IPC的公式精度为10%,在设计时能满足至少15%的精度。* n! z' w" S- _5 w$ J
微带线涂层假设不够厚时,电容量增加的并不是很严重。9 Z7 x; v& o/ W2 G$ a8 k6 g% X
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