在电容中具有独特特性的“三端子电容”。
这种三端子电容因其在高频下表现出卓越的阻抗特性,常被用于需要小型化的应用场景。
因此,本次我们将针对三端子电容的“结构”、“使用方法”以及“使用时的注意事项”进行详细说明。
3端子电容
3端子电容是一种专门用于去耦的元件,其连接方式为串联两个端子,并将剩余的一个端子与电路并联连接。
串联连接的端子采用粗线宽布线图案以承载电源电流或信号传输,而第三个端子则采用双侧引出结构设计以降低寄生电感ESL。
在片式多层陶瓷电容器(MLCC)中,通过连续堆叠这两层介质薄膜,既实现了高静电容量,又形成了低ESL阻抗特性的电容器。
应用领域
尽管3端子电容器应用范围有限,但单个元件即可获得延伸至高频段的低阻抗特性。
因此,与两端子电容器相比,可以用更少的部件数量获得同等性能,这有助于实现设备的小型化。
阻抗特性的比较
这里我们将对“相同尺寸”“相同容量”的电容器进行阻抗特性比较。
在进行比较时,将使用零件制造商分发的”Touchstone文件”进行电路仿真。
本次比较的部件为TDK生产的MLCC,部件尺寸为「1608」,额定电压为「6.3V」,静电容量为「1uF」。
2端子电容器
在1MHz以下的低频范围内,所有电容值基本相同,阻抗特性也大致相似。
随着频率逐渐升高,红色曲线代表的普通2端子电容器在约6MHz处因自谐振达到阻抗峰值,此后频率继续增加时阻抗呈上升趋势。
由此可见,普通2端子电容器的等效串联电感(ESL)最高。
2端子电容器(LW逆转)
黄色曲线表示电极长宽(LW)逆转的2端子电容器,在约12MHz处因ESL产生自谐振,之后阻抗开始上升。
自谐振频率计算公式为:
Fc = 1/2π√LC
与普通2端子电容器相比,其自谐振频率约为两倍,说明这种长宽反向设计的2端子电容器ESL值降至1/4。
3端子电容器
观察黄绿和蓝色曲线的三端子电容器阻抗特性,其自谐振频率达到20MHz以上更高频段。
这表明ESL值更小,但对比普通三端子电容器与长宽逆转的三端子电容器时,两者的自谐振频率存在细微差异。
例如在100MHz频率下,普通三端电容的ESR为20mΩ,而LW逆转型三端电容仅为10mΩ,由此可见LW逆转型的寄生电感ESL约为普通型的一半。随着频率升高,这种寄生电感ESL的差异会愈发显著。
因此当需要针对高频进行去耦时,必须准确掌握各元件的ESL参数来进行选型。
使用注意事项
3端电容最大的优势在于其寄生电感ESL较小,但要充分发挥这种低ESL特性,关键在于”元件布局”。
即便三端电容本身的电感值再小,若从IC端观察到的整体电感过高,仍会导致电源电压波动,无法获得理想的去耦效果。
因此,在布线布局时需要特别注意以减小电感。
具体需要注意以下三点:
安装位置
首先最重要的是,要将其布置在距离IC最短的位置。
其中尤其需要注意的是,对于多层电路板,还需考虑过孔的长度。
乍看之下像是紧邻IC放置的电容器,在实际电流路径中可能距离意外遥远。
因此选择安装位置时,不应仅考虑与IC的直线距离,而需将过孔纳入考量的电流路径总长度。
过孔数量
第二个注意事项是接地时使用的过孔数量。
与多数噪声对策相同,必须使用多个过孔以低阻抗连接各地线。
因此务必在三端电容器正下方配置多个过孔,确保以低阻抗方式连接至接地层。
GND层的布局
第三个注意事项是,在多层电路板中,应尽量将内层的GND图案布置在靠近的位置。
层间距离越近,彼此的磁通量相互抵消,从而降低布线的阻抗,并提高三端电容器的去耦效果。
比较不同条件下的去耦效果,包括通孔数量和GND层距离的差异。可知通孔数量越多且GND层越近,就能在更高频率范围内保持更好的衰减效果。
虽然注意事项中的每一点都遵循了噪声抑制的基本原则,并不算特别复杂,但在实际设计中需要从三维空间的角度来考虑,这一点可能会成为稍显困难的部分。
结语
本次讲解围绕三端电容器的”特点”、”阻抗特性”和”使用注意事项”展开。
三端电容器并非所有电路设计都会用到的元件,但在高频应用中,根据具体用途能带来显著优势。
需要注意的是,若布局不当可能无法达到预期效果,因此使用时务必关注电流流向并慎重考虑元件布局。