饋通電容英文名稱為Feeder Capacitor,也叫貫通電容、穿心電容,因?yàn)橛?個(gè)引腳,也被稱為三端電容(3 Terminal Capacitor)或三端子電容;饋通電容是一種特殊結(jié)構(gòu)的電容器,在普通電容器基礎(chǔ)上增加了一個(gè)引腳,其中兩個(gè)引腳貫通了同一電極。雖然這是一個(gè)微小的細(xì)節(jié)改變,卻從結(jié)構(gòu)上縮短了信號(hào)環(huán)路,使電容器的濾波效果發(fā)生了明顯的改善。
饋通電容的出現(xiàn),首先要從iPhone說(shuō)起,從下圖可以看到iPhone4和iPhone5都還是使用普通的MLCC貼片電容。
2015年9月9日iPhone 6s發(fā)布,發(fā)現(xiàn)在該款手機(jī)中大量使用了饋通電容,該設(shè)計(jì)也成為了其他廠商競(jìng)相模仿的對(duì)象,可見(jiàn)iPhone人家不僅軟件厲害,硬件也是不容小視的。蘋(píng)果手機(jī)的設(shè)計(jì)改變一定程度上預(yù)示著未來(lái)的發(fā)展方向,饋通電容以其優(yōu)異的性能,可以預(yù)見(jiàn)在將來(lái)的移動(dòng)端會(huì)得到更加大規(guī)模的使用。
那么三端電容器究竟好在哪里?實(shí)際上就是它的ESL低,理想的電容,隨著頻率的增加,阻抗越來(lái)越低,見(jiàn)下圖的阻抗頻率曲線。
然而實(shí)際電容是有寄生參數(shù)的,下圖是電容的簡(jiǎn)化等效模型,由于串聯(lián)等效電阻ESR和串聯(lián)等效電感ESL的存在,使得電容的阻抗頻率特性產(chǎn)生了巨大變化。
下圖是實(shí)際電容的阻抗頻率特性,我們可以看到在低頻段,電容起主導(dǎo)作用,阻抗隨著頻率增加而降低,然而高頻段是電感起主導(dǎo)作用,阻抗隨著頻率增加而增加,這部分正是我們不希望看到的。
普通MLCC性能對(duì)于常見(jiàn)的電容來(lái)說(shuō),都是有兩個(gè)端口,普通的引線型陶瓷電容器(二端子)結(jié)構(gòu)如下圖。
由于其引線端子部分帶有微小的殘留電感,因此在作為旁路電容使用時(shí),會(huì)與地面產(chǎn)生電感。在電容器的插入損耗圖中,由于實(shí)際的電容器是存在殘留電感的,會(huì)產(chǎn)生干擾,降低頻率性能。因此,會(huì)產(chǎn)生如上圖所示的V字形插入損耗曲線。
饋通三端子電容器是為改善二端子電容器的高頻特性而對(duì)引線端子的形狀進(jìn)行改進(jìn)后形成的陶瓷電容器。如圖所示,三端子電容器在單側(cè)引出兩根引線端子。將兩根引出的引線分別連接至電源和信號(hào)線的輸入、輸出端,將相反
一側(cè)接地,即可形成如圖所示的等效電路圖。通過(guò)這種連接方式,兩根引線側(cè)的引線電感將不進(jìn)入大地側(cè),由此可極大地減小接地電感。此外,它有三根引線,其中一個(gè)電極上有兩根引線。這樣一個(gè)微小的改變,卻使電容器的濾波效果發(fā)生了很大的改善。普通電容的引線電感對(duì)于電容的高頻濾波的作用是有害的,而三端電容卻巧妙地利用了引線電感,構(gòu)成了一個(gè)T型低通濾波器,能夠起到降低干擾的作用。
因?yàn)槿俗与娙萁Y(jié)構(gòu)特殊,縮短了電流路徑,使得ESL具有并聯(lián)的特性,進(jìn)而減小了ESL,使得高頻特性好。
我們對(duì)比下22uf的兩端子電容和三端子電容的阻抗差異,如下圖所示,可以看到普通兩端子電容在1.05Mhz 處阻抗大約3mohm,饋通三端子電容諧振頻率高一些,在3Mhz處阻抗只有大約2mohm;最主要的高頻部分,兩端子電容在1Ghz處甚至超過(guò)了1ohm,而三端子電容只有110mohm。
使用了低ESL的饋通電容后,可維持與2端子電容相同功能的同時(shí),并極大減少電容元器件數(shù)量,這在寸土寸金的移動(dòng)端PCB板來(lái)說(shuō)極為重要。如下圖所示,使用饋通電容后,可以將電容數(shù)量從100個(gè)減少到32個(gè)。
使用片狀三端子電容器優(yōu)化旁路電容器
旁路電容器性能比較,這方面三端電容器性能也非常優(yōu)秀,從下圖中可以看到兩個(gè)1uF的普通電容和一個(gè)1uF的饋通電容的波形效果。
饋通電容出現(xiàn)的時(shí)間比較短,價(jià)格成本高也是阻礙其廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因,也只是在一些高檔手機(jī)上才能見(jiàn)到,隨著使用量的提高和工藝的提升,相信它的價(jià)格也會(huì)不斷下降的。
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