电容在电路板中的作用是什么

众所周知,电容是各种电路板中极其重要的元器件之一。它的种类繁多,功能也是层出不穷,尤其以滤波功能出名。
一、电容的滤波作用
● 即频率f越大,电容的阻抗z越小。
● 当低频时,电容c由于阻抗z比较大,有用信号可以顺利通过;
● 当高频时,电容c由于阻抗z已经很小了,相当于把高频噪声短路到gnd上去了。
二、电容滤波在何时会失效
整改中常常会使用电容这种元器件进行滤波,往往有“大电容滤低频,小电容滤高频”的说法。
以常见的表贴式mlcc陶瓷电容为例,进行等效模型如下:
容值10nf,封装0603的x7r陶瓷的模型参数如下:
由于等效模型中既有电容c,也有电感l,组成了二阶系统,就存在不稳定性。对电路回路来说,就是会发生谐振,谐振点在如下频率处:
下图是谐振曲线的示例:
即常说的在谐振点前是电容,谐振点之后就不再是电容了。
三、lc滤波何时使用
如果串联电感l,再并联组成c,就形成了lc滤波:
单独一个电容c是一阶系统,单独一个电感l也是一阶系统,在幅值衰减斜率是-20db。但lc组成的二阶系统,幅值衰减斜率是-40db,更靠近理想的“立陡”的截止频率的效果,即滤波效果更好。
四、pwm频率到底是多少
往往提到pwm,比如会说用20khz pwm驱动电机等。但实际上,这个20khz仅代表pwm的脉冲周期是50us:
那么所谓的20khz pwm在频域上的频率点落在哪里呢,如下公式:
对于阶跃信号来说,由于上升时间tr无穷小,则频率f无穷大。当频率高了之后,寄生参数则不能在忽略,会引发很多谐振的问题。
从信号上来看,就是很陡峭的阶跃信号会有过冲和振荡的问题。简单来说就是频率f越大,则噪声所占的频率就会越宽泛,即emc特性就会越差。
五、如何将原理图和pcb对应起来
由于细分工种的问题,原理图和pcb被割裂开来,由两组人进行分工作业:
例如在原理图上有如下的电路:
其隐含一个问题就是在pcb上其实v1的负极和c1的负极是有一条线(pcb layout工具软件中用的词比较准确,trace,踪迹/轨迹)。
往往在设计阶段a->b->c是都会关注的。如果emc出现问题,除了要在原理图上查找电路参数的问题,还需要特别关注c->d,即回流路径。
如果回流路径不顺畅,会造成信号的畸变:
比如在emc试验时,mcu的adc采集到的信号被干扰到了,则除了在原理图上分析外,在pcb上讲该信号高亮出来,然后再耐心寻找该信号的回流路径是否有不顺畅的地方:
对着信号线头脑中想象回流路径,有点意识流的感觉。
六、总结


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