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。1 u7 k# w7 t* R& n2 X
C: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。; k' b' I* b$ A1 A! N" Y1 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。" N$ f6 k3 [# w2 m# x
距离越近、重叠面积越大、介质介电常数越大,则电容越大。
2 J4 [4 v- g% l5 S/ r0 H2 ^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./ Y2 d' y$ V* w2 M- }
电容中的电流
9 \- e. Y; D2 ?$ _3 J1 b! R0 u流经电容器的电流 I= dQ/dt=C*dV/dt
U+ Q0 {: C3 M, z# cI:表示流过电容器的电流;% {' o2 P1 [0 n6 {! r7 Z2 ^
d Q:表示电容器上电荷的变化量;
) m3 C, i& ]# H8 h$ D5 q: XdT:表示电荷变化经历的时间;
9 R; J% R6 T9 _# _7 E) s; }Dv:表示电压变化值;
" Q& w0 G- d7 K. H# Y% E- e' BDt:电压变化所经历的时间。" @5 L+ u, K% T& T" j. W0 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。+ R' o" G+ p" C8 a, P
平行板电容
1 }- R" m4 y7 \/ ?2 c# M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。
" K5 _" X5 l8 ^" }H平板间距。
' D, e# z7 A* R' a! i" i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。
y2 ]$ }, d! }& j9 N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。
- T' f3 s6 t. Q* Q. K, B但这个值不好计算。, T4 f$ A+ c( A- u
&……*%……&***去耦电容的计算:……&%……&%¥¥%0 m+ \6 V4 U: n, X2 L8 c b& m, l
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;3 n5 ?7 x7 W8 J, L9 n3 ]* f- Y- `
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;4 i. [$ P5 ~" L8 B
P表示芯片的平均功率;V表示电源电压。& k# ^- _- M, ~
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。
6 O) L9 l8 x7 c/ ~T 所表示的时间需要参考电源芯片,即电源芯片的反应时间。+ D/ a2 ^* P! o9 A8 [3 {8 p6 t# u
通过上面的公式,即可以设计选型电源芯片的型号。) |5 w2 _9 Z: {( ^1 p ?' a" u
单位长度电容。
. _7 H) {+ N, L/ u" t7 y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
+ _: W, B" G- }/ z# X, TCL:单位长度电容 单位PF/in ;(单位可自己设定);7 M* R# A: P; G4 T2 A
C:传输线与返回路径之间的电容量 ; L 传输线长度。
; w3 c; h2 w/ p
$ s9 W' s+ J0 g2 V' Y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。
w9 c/ s, O+ O7 a2 e! U8 @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)})9 L8 Q. _; N: Y; i5 y" h
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;4 a/ X. C" v7 e: w {9 S, y
h:表示介质厚度;单位为mil;w表示线宽单位为mil;
0 j. [$ I3 U9 |: Z t表示导体厚度单位为mil。
# f; P: M# T3 O! s) D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)})
: Y. M6 S/ x3 X3 d5 O6 |" fB:表示介质厚度;其余同上。! j3 d( N5 i, p' u
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。
0 d9 c3 Y- |( a. ~5 ~! f, B9 Y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。: B1 f; x5 l! y8 Y3 V) V% S/ o1 t
经验法则:50欧姆特性阻抗单位长度电容大致为3.5PF/IN 。) j- m! L/ j( s I# r
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。" ?2 e4 V9 v* _6 ^% p0 E
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。
$ v; D' I5 d+ j' n6 p* y0 O5 l0 F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。
P( Q. n5 n. q4 }4 [$ e9 m* `/ A5 Y; A, G, d" \; B1 `
小结:0 j5 _$ O x" X8 J& Z
1.电容是对两导体间存储电荷能力的度量。
" s7 Y2 P& H. M/ Y2.电容量是对流动电流大小的度量。! A' M( {# D, ?1 }' A$ w' I
3.导体间的电压发生变化时,便有电流流过电容器。2 x$ C- o6 ~4 g/ z! D8 P
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。+ |( f: u$ X# U5 Q# S6 A8 E
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。
/ ]* k2 J' j% U2 j6.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。! Y! c2 c7 H: Z- W! `. C. X
7.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。
0 U: l! b O5 O) c8.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;- B$ F- v. l+ Z9 N
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%;, Y4 A* C2 x" ]( s
10.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。: c6 q0 h2 i& @4 w# a
11.当微带线的涂层厚度与线宽一致时,电容量将增加20%; K' f; W* u6 j/ z- m. [# `
理解:IPC的公式精度为10%,在设计时能满足至少15%的精度。- E6 L/ h; K9 G" q0 |- t5 _
微带线涂层假设不够厚时,电容量增加的并不是很严重。9 h' |9 R6 x9 ]% G! H3 l
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