PCB设计的去耦电容器放置指南

去耦是一种基于频率从复合信号中分离信号分量的方法。因此，了解应该隔离哪个频率范围对于准确地在系统中放置电容器很重要。

交流和直流信号的分离对于PCB组件否则它会影响两者信号完整性和电源完整性. 解耦不良也会导致电源总线噪声，导致EMC问题，影响产品可靠性。

去耦电容器因其固有的能量存储能力而用于电源和瞬态去耦。复杂的 PCB 组件具有多个电源，需要电压调节以确保处理器、FPGA、IC 或放大器等组件的正常运行。这些电容器在需要时提供电流以维持组件的电压水平。有效的去耦取决于电容器类型及其在电路板上的位置。

在本文中，我们讨论了一些重要的去耦电容器放置指南，以减少对配电网络 (PDN) 和 I/O 信号的不利影响。

PCB去耦的概念

PCB 去耦和电压波动

当 PCB 上的有源器件显示其吸收的电流量突然变化时，会导致连接走线阻抗上的电源电压下降。这种电压降会影响板上所有设备的功能，而不仅仅是开关设备。如果压降过高，PCB 上的电路可能无法正常运行。电源总线上的电压波动会产生传导或辐射电磁干扰 (EMI) 问题.

通过在有源器件附近的电源和接地导体之间放置一个电容器，可以控制电压波动。该电容器充当本地电荷储存器，可控制电流的突然变化，同时平衡电源总线上的电压。

基于电容器放置的连接走线电感。

电源总线去耦电容器放置策略

PCB 可以分为三类用于电源总线去耦：

• 没有电源层的板
• 具有紧密间隔电源层的电路板
• 具有宽间距电源层的电路板

没有电源层的板

对于没有电源层的电路板，去耦电容器放置更容易。如果 PCB 具有一个或多个实心接地层，则这一点非常正确。当电源分布在走线上时，设计人员发现控制每个设备所见的电源总线噪声具有挑战性。

板上有源器件之间的最佳隔离允许设计人员单独去耦每个器件。它可确保满足器件的高频电流要求，而不允许电源输入引脚出现不可接受的电压摆幅。以下是去耦电容器放置的一些指南 没有电源层的 PCB：

• 至少放置一个局部去耦电容对于板上的每个有源设备。
• 至少放置一个大容量去耦电容器对于电路板上的每个电压分布。
• 在有源器件的电压和接地引脚之间连接本地去耦电容器。确保由电容器连接形成的回路面积最小。

有源器件的电压和接地引脚之间的本地去耦电容器。

• 在电压进入电路板的入口点附近放置大容量去耦电容器。如果电路板上产生电压，那么这些电容器应安装在靠近产生电压的位置。
• 大容量去耦电容器的大小根据整个电路板的瞬时（瞬态）电流要求进行选择。放置两个具有相同标称值的本地去耦电容器比放置一个具有两倍标称值的电容器要好。原因是两个电容器具有较低的整体连接电感，并为电源总线的其余部分提供更好的高频滤波。

具有紧密间隔电源层的电路板

将去耦电容器放置在具有紧密间隔电源平面的 PCB 上需要不同的方法。这是因为这些平面贡献了一个去耦电容（由于它们非常接近），这在高频下变得很重要。

• 选择可用的最大标称电容。不要使用理论电容小于电源和电源返回层之间自然存在的平行板电容的电容器。一块用FR-4材质包含一对间隔 0.25 mm（10 mil）的配电平面，具有大约 16 pF/cm 的平面间电容2.
• 局部去耦电容器的放置并不重要，因为它们的性能受与平面相关的连接电感的影响。根据它们的有效工作频率，它们可以位于有源设备附近的任何地方。
• 去耦电容的数量与有效连接电感大致成反比。这就是为什么高速电路板通常每个有源器件都有许多本地去耦电容器。连接电感由电容器本体形成的回路面积计算，安装垫，痕迹，和过孔.
• 避免使用连接到去耦电容器垫的走线。在焊盘内部或附近放置通孔，最好尽可能靠近。
• 如果没有空间将过孔定位在电容器焊盘附近，则移动整个电容器。实际上，电容器的位置并不重要，但连接电感至关重要。
• 将所有本地去耦电容器安装在最靠近平面的板上。连接电感大约与与平面的距离成正比。

具有宽间距电源层的电路板

如果 PCB 上的电源层和接地层相距至少 0.5 mm，则平面之间的电感不能被忽略。此规则适用于大多数使用 1 mm 磁芯制造的 4 层板，并且多层板在电源层和接地层之间有信号层。

• 大容量去耦电容器的总值通过板上有源器件的瞬态功率要求进行评估。
• 局部去耦电容器在较高频率下发挥着重要作用。它们连接到配电平面的电感比它们的标称电容重要得多。
• 本地去耦电容器应尽可能靠近它们所去耦的有源器件的电源或接地引脚。并且可以通过识别离有源器件最远的配电平面来确定电容器应位于的引脚。
• 选择可用的最大标称电容。标称电容值与连接电感无关。
• 定位本地去耦电容器，使连接到最远平面的引脚最靠近连接到该平面的有源器件引脚。
• 将去耦电容器放置在有源器件附近以共享相同的过孔是一个合适的选择。但是，不应在电容器安装焊盘和通孔之间使用走线。
• 切勿在去耦电容器上使用走线来降低连接电感。将过孔放置在靠近安装焊盘的位置，并尽可能靠近两个电容器过孔。此外，将所有本地帽安装在最靠近平面的板上。

在电容焊接焊盘附近放置过孔。

为了信号和电源完整性，去耦电容器应该放在哪里？

• 将电容器并联用于电源引脚和接地： 去耦 I/O 信号路径、配电和接地并不是那么重要，但消除交流或直流耦合至关重要。因此，电容应与信号路径并联。
• 为了最大限度地减少高频 EMI，将电容器与电阻器并联： 去耦电容也可以与电阻并联，以滤除不需要的高频，同时允许低频和直流通过。
• 将电容放置在信号源附近： 去耦电容应尽可能靠近信号去耦源。这意味着盖子应放置在 IC 的引脚上，并靠近 I/O 信号的连接器。
• 为 I/O 信号走线串联电容器： 为了从输入和输出信号中去除低频瞬变，电容器应与走线串联。高频会通过电容器，但低频和直流会被阻挡。此外，高频瞬变应使用小电容，低频瞬变应使用大电容。
• 将电容器放置在与数字和模拟接地相同的层上： 去耦电容器还可用于分离模拟和数字信号。这是通过在 AC 和数字 PCB 接地端之间连接一个电容器来实现的。
• 在接地平面连接之前连接电容器： 将电容器连接到组件引脚，然后再将其连接到通孔以到达电源层。这确保了平稳的电流流过平面。

BGA 的去耦电容器放置指南

• 将去耦电容器放置在BGA另一侧的引脚下方。

这就是 BGA 将如何通过焊盘上的通孔扇出。稍后，它可以填充导电或非导电填充物。

去耦电容器放置在 BGA 的另一侧。

不是在 BGA 的电源/接地部分内每个球放置一个过孔，而是每隔一行跳过并与两个电源或接地球共享每个过孔。

与将电容器放置在封装区域之外相比，这将允许电容器直接安装在部件下方并最小化电感。

笔记： 好的处理方式是限制一个通孔连接电源引脚的数量。

• 将旁路电容器放置在电路板的另一侧庭院区域，用于周边矩阵 BGA。调整电容器的方向，使 BGA 电源引脚扇出孔也可以作为电容器的连接点。这为电源提供了最低电感通道，同时为信号路由留出了通孔空间。

在矩阵内放置旁路电容器时，仅当存在可用的过孔作为矩阵的一部分时才尝试这样做BGA扇出图案。在这些区域添加额外的过孔是可能的。但请注意，由于扇出模式在四个方向，额外的过孔也会减少内部电源和接地平面上的铜通道。

• 一个实心BGA矩阵在中间有接地引脚，由一排或两排电源引脚包围。当发生这种情况时，可以移除外部接地引脚行的自动扇形出通孔，并将其扇形回下一个内部行。

这种方法通过在电路板的底部放置旁路电容器，在中间的接地引脚块周围创建一个通道。为此，可能需要减小一些功率电容器的尺寸。因此，大量旁路电容器被放置在离电源引脚更近的地方。

旁路电容应该放在 PCB 的什么位置？

电容器的放置是最关键的阶段之一印刷电路板设计过程。不正确的电容器放置可以完全取消它们的性能。

• 相对于 SMT 组件放置，将电容器放置在电路板的底部。

建议将 SMT 元件放置在底部，因为电容器通常放置在 SMT 元件的焊盘下方。将它们放在底部可为扇出走线和过孔提供更多空间。如果您将电容器放置在顶部，请将它们放置在尽可能靠近组件电源引脚的位置。

如上图所示，旁路电容在顶部占据了额外的空间，因此减少了过孔的可用空间。如下图所示，由于电容放在反面，所以可以放在上面IC焊盘的下面。因此，没有通孔空间损失。

电容放置在另一侧。

上面显示的方法是PCB工程师的首选方法。它不仅提供了更多的过孔空间，而且还具有通过将电容器的接地端直接连接到器件的接地引脚之一来缩短接地路径的优势。这在 IC 周围提供了一个更短、电感更小的接地系统。

• 将多个不同值的电容器连接到 IC 上的同一个电源引脚时，请将值最低的电容器靠近器件引脚放置。

最低值的电容器为最大频率电源电流要求提供开关电流。当数字设备的输出从“OFF”状态变为“ON”状态（反之亦然）时，执行此操作所需的电流会在短时间内变得非常高。

如果唯一可用于产生这种近乎瞬时电流的电容器是较大值的电容器，那么由于电容器的时间常数较长，输出将无法以所需的速度切换。这会导致设计中出现严重的时序问题。

电容的交替布线。

在引脚附近连接低值电容器可以快速向开关器件提供小电流。这是因为这些电容器具有较短的时间常数。一旦输出恢复到稳定状态，电流要求就会降低。

• 按电容值的升序将较大的非极化电容器和钽电容器放在引脚或器件附近。钽电容器提供电流的速度比系统电源快。这些电容器为高频电容器充电的速度比系统电源的响应速度更快。

在下图中，具有最低值 (C13) 的电容器最靠近器件电源引脚，其次是 C2 和 C14。钽可以放置在器件的上方或下方，只要靠近 U1 并且不会影响性能。

去耦电容按升序放置

IC左右两侧的空间一般用于扇出或钽之前需要注意的其他组件。随着电容值的增加，每个值的电容器数量通常会减少。一个钽电容器可能有四到六个陶瓷电容器。大于 10uF 的电容器通常可以分布在更大的区域。

• 对于具有多个电源引脚的设备，每个电源引脚至少使用一个旁路电容器。

如果设计只允许使用两个旁路电容器，则在设备的任一侧放置一个。

多引脚设备每个电源引脚的旁路电容器放置

到避免地弹问题（因为许多输出同时切换），每个设备再添加两个电容器，如下所示。

旁路电容器放置以避免接地反弹

• 请参阅原理图以确保将旁路电容器放置在器件电源引脚而不是高逻辑引脚。

从 PCB 组装的角度来看，电容器是用途最广泛的组件，去耦是其主要功能之一。事实上，电路板的信号和电源完整性可能取决于去耦电容器放置的效率。