电路板打样之退耦电容位置摆放及其过孔设计

在PCBlayout中，电容大约占元器件的30%。许多工程师虽然知道电容具有储能滤波作用，但往往忽略了其具体用法、具体摆放位置和过孔设计的重要性，把电容直接放到电路板上就万事大吉，从而导致实际工程中出现各种问题。

本文将先讲述电容的基础知识（只做简单的回顾）、再讲PCBLayout时退耦电容的位置摆放和过孔如何设计（本文的重点）（因篇幅关系对电容的种类选型不做讲述），最后介绍盘中孔工艺并分析其优势（以嘉立创的盘中孔工艺为例）。

一、电容的基础知识

定义：电容器在外电源作用下，正负电极上分别带上等量异号电荷，撤去电源，电极上的电荷仍可长久地聚集下去，是一种储存电能的部件。

其中C是电容，单位是法拉；S是极板面积，单位是平方米；d是极板间的距离，单位是米；εr是相对介电常数 。

注：电导体由绝缘材料分开就可以产生电容。

电容两端的电压等于聚集的电荷除以电容的容量。

单位换算：

1F=106uF=109nF=1012pF

常说的104电容指的是10*104pF=100nF

理论部分的知识进行补充，工程实践中用到哪学到哪。

作用：

储能滤波：储存电能，在需要时释放，可以滤除电源中的低频噪声，提供更稳定的电源电压。

去耦和旁路：电容用于去耦电源和信号线，减少电源噪声对信号的干扰，或本级对下一级的干扰，是噪声的重要泄放通道。

移相：在交流电路中，电容可以改变信号的相位。

等等。

（本文中只讲滤波和去耦旁路，其他不做过多描述）

二、滤波、去耦和旁路的区别

技术资料上，经常能看到滤波电容、去耦电容(decouple)和旁路电容(bypass)三种名称。他们都不是电容的类型，而是设计者根据所起的作用不同进行人为的划分。

滤波电容一般容值比较大，用来滤除低频信号的纹波。去耦和旁路也属于滤波，但通常所说的滤波电容会优先想到容值大的电容。

去耦电容,其作用是为保证器件稳定工作而给器件电源提供的本地“小池塘”。在高速运行的器件上，会不断产生快速变化的电荷需求，对于这种快速的需求，电源模块无法及时给器件提供电流以补充，只能依靠器件附近的电容给予解决。

可以把电容理解成平时灌满水的小池塘,一旦小池塘附近的庄稼缺水,能立刻从小池塘得到补充,而无需求助远方的水厂。去耦电容还有另一个作用,是为高速运行器件产生的高频噪声提供一条就近流入地平面

旁路电容,其作用是为前级(如电源产生的高频噪声等干扰)提供一条流到地平面的低阻抗路径，以避免这些干扰影响正在高速工作的器件。

从以上描述可以看出,去耦电容和旁路电容没有本质的区别,从应用上说,依据公式Z=1/(2πf*C),其中f是器件工作频率,它们在高频下的作用都是为电路中的干扰提供一条流回地平面的低阻抗回路。

以工程上芯片周边经常使用104电容和10uF电容为例：10uF电容对于芯片主要起滤除低频干扰和蓄能的功能。0.1uF电容起滤除较高频段的噪声干扰。

对于电路中的滤波电容、旁路电容和去耦电容，倒不用太过于纠结与死磕。在自己的认知体系中灵活运用，能够解决问题才是根本。

三、电源退耦时电容摆放及过孔设计：

1．对电容位置摆放的要求：

退耦路径的环路面积尽可能地小，比电容和芯片实际空间距离更重要（此处打勾的图，实际上过孔是有些缺陷的，有些如滤的感觉，下文过孔设计会指出原因，大家评论区也可以指出来，顺带分享你们平时怎么打过孔的，一起交流）。

多个电容并联时，小容量的电容更应该靠近芯片电源引脚。

2．过孔设计常见错误分析

一定不要让退耦电容如同虚设，否则假装滤除了高频信号，实际没有起到作用。

3．降低过孔引入的寄生电感

过孔就近接电源层，尽可能较少引出现带来的额外环路面积；严禁多个电容共用过孔（会引入公共路径感抗）；由上可知，如果工艺允许，可以直接将过孔打在焊盘上，降低感抗效果最好。这种工艺叫盘中孔。

4．分析盘中孔工艺

以往的老工艺把过孔打到焊盘上是不行的，但现在工艺进步了。以嘉立创的盘中孔为例，打过孔之后会在孔内塞树脂或者铜浆，然后进行电镀盖帽，从电路板表面看不到过孔的存在，在SMT贴片时不会存在漏锡的问题。

盘中孔工艺具有的优势：

高密度布线：盘中孔工艺允许在有限的PCB面积内实现更高密度的布线，适用于高密度电路设计。

减少寄生效应：盘中孔可以减少寄生电感和电阻，提高电容的滤波效果。

提高可靠性：盘中孔工艺可以提高PCB的机械强度和电气性能，增加电路的可靠性。

优化散热：盘中孔有助于优化电路的散热设计，减少热量积聚，提高电路的稳定性。

四、结论

在PCB设计中，需要合理摆放电容位置，并设计过孔，必要时结合盘中孔工艺提高电路的滤波效果和整体性能。