【经验】如何正确理解AC耦合电容，选择性能更好的高频PCB板材料？

时间： 2021-09-02 来源：爱浦电子

技术问答

在高频电路设计中，经常会用到AC耦合电容，要么在芯片之间加两颗直连，要么在芯片与连接器之间加两颗。看似简单，但一切都因为信号的高速而不同。信号的高速传输使这颗电容变得不“理想”，这颗电容没有设计好，就可能会导致整个项目的失败。因此，对高速电路而言，这颗AC耦合电容没有优化好将是“致命”的。下面爱浦电子将在本文依据之前的项目经验，盘点分析一下在AC耦合电容的使用上遇到的一些问题。

最开始要先明白AC耦合电容的作用。一般来讲，我们用AC耦合电容来提供直流偏压，就是滤出信号的直流分量，使信号关于0轴对称。既然是这个作用，那么这颗电容是不是可以放在通道的任何位置呢？AC耦合电容到底该放在哪里呢？

这里拿一个项目中常遇到的典型通路来分析。

图1. AC耦合电容典型通路

在低速电路设计中，这颗电容可以等效成理想电容。而在高频电路中，由于寄生电感的存在以及板材造成的阻抗不连续性，实际上这颗电容不能看作是理想电容。这里信号频率2.5G，通道长度4000mil，AC耦合电容的位置分别在距离发送端和接收端200mil的位置。我们看一下仿真出的眼图的变化：

图2. AC耦合电容靠近发送端的眼图

图3. AC耦合电容靠近接收端的眼图

显然，这颗AC耦合电容靠近接收端的时候信号的完整性要好于放在发送端。笔者的理解是这样的，非理想电容器阻抗不连续，信号经过通道衰减后反射的能量会小于直接反射的能量，所以绝大多数串行链路要求这颗AC耦合电容放在接收端。但也有例外，笔者之前做板对板连接时遇到过这个问题，查PCIE规范发现如果是两个板通常放置在发送端上，此时还利用到了AC耦合电容的另外一个作用——过压保护。比如说SATA，所以通常要求靠近连接器放置。

解决了放置的问题，另一个困扰大家的就是容值的选取了。这样说，我们的整个串行链路等效出的电阻R是固定的，那么AC耦合电容C的选取将会关系到时间常数（RC），RC越大，过的直流分量越大，直流压降越低。既然这样，AC耦合电容可以无限增大吗？显然是不行的。

图4. AC耦合电容增大后测量到的眼图

图4同样的位置，与图3相比可以看出增大耦合电容后，眼高变低。原因是“高速”使电容变的不理想。感应电感会产生串联谐振，容值越大，谐振频率越低，AC耦合电容在低频情况下呈感性，因此高频分量衰减增大，眼高变小，上升沿变缓，相应的JITTER也会增大。

通常建议AC耦合电容在0.01μf~0.2μf之间，项目中0.1μf比较常见。推荐使用0402的封装。

最后，解决了以上两个问题，再从PCB设计上分析一下这颗电容的优化设计。实际在项目中，与AC耦合电容的位置、容值大小这些可见因素相比，更加难以捉摸的是板材本身（包括焊盘的精度、铜箔的均匀度等）以及焊盘处的寄生电容对信号完整性的影响。我们知道，高频信号必须沿着有均匀特征阻抗的路径传播，如果遇到阻抗失配或者不连续的情况时，部分信号会被反射回发射端，造成信号的衰减，影响信号的完整性。项目中，这种情况通常会出现在焊盘或者是板载连接器处。笔者最初涉及的高速电路设计时，经常遇到这个问题。

解决这个问题要从两个方面入手：

• 首先在板材的选取上，我们在应用中通常选用高性能的ROGERS板材，罗杰斯的板材在铜箔厚度的控制上非常精确，均匀的铜箔覆盖大大降低了阻抗的不连续性；

• 然后在消除焊盘处的寄生电容上，业内常见的办法是在焊盘处做隔层处理（挖空位于焊盘正下方的参考平面区域，在内层创建铜填充），通过增大焊盘与其参考平面（或者是返回路径）之间的距离，减小电容的不连续性。在笔者的项目中多采用介质均匀、铜箔宽度控制精确的ROGERS板材也有效提高了焊盘的加工精度。

通过仿真对比一下ROGERS板材做精确隔层处理前后的信号完整性。

图5：做隔层处理前的TDR

图6：做隔层处理后的TDR

图5图6对比，发现未处理之前阻抗的跳跃很明显，隔层处理后的阻抗改善很多，几乎没有任何阶跃与不连续。

图7：做隔层处理前的回波损耗

图8：做隔层处理后的回波损耗

图7图8对比，在用ROGERS板材做隔层处理之后，相比未做隔层处理回波损耗下降到-30dB之内，大大降低了回波损耗，保证了信号传输的完整。

综上，想要搞定高频电路中这颗“致命”的AC耦合电容，不仅要做足电路设计上的功课，同时，选择性能更好的高频PCB板材料会让你事半功倍。

匹配电路的电感选择

对高频电路而言，电路之间的电感匹配很重要。电感匹配是指在信号的传输线路上，让发送端电路的输出阻抗与接收端电路的输入阻抗一致，匹配后，可以最大限度地把发送端的电力传送到接收端。匹配电路使用电容器和电感器，但是实际的电容器和电感器与理想的元件不同，有损耗。表示该损耗的有Q值。Q值越大，表示电容器和电感器的损耗就越小。

电感的Q值与高频电路的损耗

匹配电路中使用的电感器的Q值的大小，对高频电路的损耗也会产生影响。为了确认此事，韬略科技采用了村田的SAW滤波器 (通频带800MHz频段) 和RF电感，在匹配电路中换装Q值不同的RF电感，测量和比较了SAW滤波器的插入损耗。

图9表示电路图。此次的电路，虽说是匹配电路，但是只有一个RF电感器。

图9: SAW滤波器与匹配电路

图10表示此次进行了换装的RF电感的Q值的频率特性，表1表示结构、尺寸、Q值 (800MHz时的Typ.值)

图10: RF电感的Q值比较 (均为7.5nH)

表1 RF电感的比较

※图10的图表是采用村田提供的设计辅助工具SimSurfing表示的。

换装匹配电路的RF电感时的SAW滤波器的整体特性见图11，通频带特性见图12。

图11. SAW滤波器的整体特性

图12: SAW滤波器的通频带特性

从图12的通频带特性来看，可以确认SAW滤波器的插入损耗因所使用的RF电感而异。高频电路的这种水平的损耗越来越重要。

从此次的实验结果可知，RF电感的Q值越大 (损耗越小) ，SAW滤波器的插入损耗就越小。也就是说，电感器损耗的大小就是包括匹配电路在内的SAW滤波器损耗的大小。

请注意，使用的高频元件 (此次为SAW滤波器) 、匹配电路、频段等不同，损耗也将各异。

（3）电感的偏差与对匹配电路的影响

另外，实际的电感器的阻抗值为1.0nH、1.1nH、1.2nH之类的不连续值。进行匹配时，有时必须采用细致的常数步骤进行微调。同时，阻抗值的偏差 (标准离差) 会变成匹配的标准离差，为了满足必要特性，有时需要偏差小的电感器。村田的电感器当中，薄膜型LQP系列最符合细致的常数步骤和偏差小的要求。

根据以上情况，有必要对SAW滤波器的整合回路RF电感的Q特性、偏差值、尺寸、成本等方面，进行比较讨论之后做出选择。在贴装空间有剩余的情况下，Q值偏高的卷线电感LQW15/LQW04为最佳选择。此外，贴装空间有所限制的情况下，小尺寸0603、拥有较高Q值的LQP03HQ/LQP03TN_02为最佳选择。

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【选型】Laird（莱尔德）电感选型指南

目录- 电感部件号命名法说明铁氧体EMI贴片磁珠 Ferrite EMI表面贴装技术（SMT）磁珠总成共模和差模说明共模扼流圈系列共模扼流圈低频共模扼流圈共模阵列 CAN-BUS共模扼流圈系列程数和匝数绕线式SMT功率共模扼流圈绕线式DIP功率共模扼流圈共模扼流圈系列差模EMI滤波器 EMI滤波器阵列差模滤波器等效电路铁氧体贴片电感多层功率贴片电感

型号- LI1806E800R-10,CPI1008K1R5R-10,LF1206A302R-10,28C0236-0JW-10,LI0402E800R-10,HZ0603C601R-10,HI0805P390R-10,MI0805K601R-10,IC1206B821R-10,MI1206L501R-10,HZ0603B751R-10,IC0603B820R-10,MI0805L301R-10,LI0603E151R-10,IC0805B222R-10,CM 41,LF1206E152R-10,CMX1211Z601B-10,MI0603J601R-10,CM 45,CM 44,CM0805A371R-10,28L0138-80R-10,HZ0805D102R-10,IC0805B102R-10,HI2220R181R-10,CM1812C282R-10,29F0428-0T0-10,29F0430-2SR-10,CM0805B361R-10,CF BEADS,CM5740Z171R-10,MI0805K110R-10,CM0805C161R-10,CM2824E352R-10,MI0603L221R-10,IC0805A333R-10,CM5740Z171B-10,CM2021Y330R-10,29F0818-0SR-10,LI0402E190R-10,CMX1616Z401B-10,IC0805A472R-10,CM4440Z121R-10,HZ0402A152R-10,HZ0603A102R-10,CPI0806KR68R-10,MI0402L100R-10,IC0603A152R-10,HI1206T500R-10,CMX1616Y222B-10,LI0805H151R-10,CM 21,HZ0603A222R-10,MI0603K300R-10,CM3032V201R-10,MI0805K400R-10,CM5740Z241B-10,MI1206K260R-10,CH 05,DA1206D301R-10,CM1206A601R-10,CPI0805F2R2R-10,HI0805P121R-10,MI1206L601R-10,MI0603J102R-10,28L0138-10R-10,HR2220P601R-10,CMX1616Z162B-10,28L0138-40R-10,HZ1206C202R-10,IC0603A821R-10,CM3822R201R-10,IC0603B181R-10,HI0603R300R-10,IC0805A223R-10,IC1206A103R-10,CPI0806J1R0R-10,CM4732V301R-10,MI0402K121R-10,HI2220P251R-10,29F0418-0SR-10,MI0805M221R-10,35F0121-1SR-10,CMX1211Z181B-10,HZ0402A182R-10,HZ1206E601R-10,CM 22 ARRAY,CMX1616Z112B-10,CPI1008KR82R-10,CF0805D670R-10,LF CM,HI0805Q310R-10,IC0603A102R-10,CM 05,MI0603K181R-10,MI0603J600R-10,CC2824E513R-10,CM3440Z171B-10,HI1612X560R-10,IC0805A821R-10,HI0805O121R-10,HI2220Q401R-10,MI0603J471R-10,HI0603N330R-10,CMX1211,CMX1616Z171B-10,HZ0402A601R-10,IC0805A183R-10,HZ0402B102R-10,HI0805R121R-10,CM3440Z171R-10,CM4545Z131R-11,CM4545Z131R-10,CH0805D900R-10,LI0603G121R-10,HZ0603D102R-10,CM3822R151R-10,CPI0805H1R2R-10,CPI1008K1R2R-10,LI0402E300R-10,LI0402E750R-10,CM2824E182R-10,IC0603B470R-10,28C0236-0EW-10,LI1812D121R-10,CM3032V121R-10,29F0430-4SR-10,IC1206B153R-10,CPI0806J1R8R-10,LI1206H151R-10,CM4545Z131B-10,HZ0603C651R-10,HI0805T500R-10,CC2824D225R-10,IC0805B331R-10,CF0504C121R-10,CMX1211X132B-10,29F0818-1SR-10,CC1812,LI0603G221R-10,LI1806C151R-10,CF0805D900R-10,HZ0805B252R-10,CPI0806KR82R-10,CC2824E105R-10,IC0805A272R-10,MI1206L391R-10,CMX1211Z321B-10,CM5441Z101B-10,CPI1008J4R7R-10,LF0805A252R-10,IC1206A333R-10,HR2220V801R-10,IC0805C680R-10,LI1806E101R-10,HZ0603A182R-10,LI0402B800R-10,28C0236-0BS-10,CM5022R201R-10,MI0805L601R-10,CF0805C221R-10,CC2824E253R-10,CC2824J502R-10,CPI0805G1R5R-10,CM2722R201R-10,HI0603O700R-10,LI0402C470R-10,IC0603A182R-10,29F0330-2SR-10,CPI0805E4R7R-10,CM2545X171R-10,HI2220P171R-10,29F0528-0T0-10,MI0603M121R-10,HZ0805G471R-10,HZ1206D102R-10,LI0603D301R-10,CM0805D900R-10,IC0603A103R-10,IC0805A822R-10,MI1206K900R-10,CM3822R800R-10,CM4732V201R-10,CC2824E474R-10,HI1806N910R-10,28F0181-1SR-10,CC2824E113R-10,CM5022R151R-10,HI1206T161R-10,LI0805H400R-10,HI2220R151R-10,CM2824B103R-10,CPI0805H1R0R-10,LI0805G201R-10,CPI1008K1R0R-10,MI0603L301R-10,DA1206E300R-10,IC0805A153R-10,CPI1008J2R2R-10,LI0402E600R-10,HI3312X101R-10,CM3032V301R-10,MI1806J800R-10,HI1206N800R-10,MI0805L331R-10,HZ1806K102R-10,CM 40 ARRAY,CPI0806J1R5R-10,HZ0603B471R-10,IC0603A681R-10,CM2545X171B-10,HZ0805E601R-10,HI0805N600R-10,CPI0805JR47R-10,HZ0603B102R-10,CM0805B501R-10,HZ0805B272R-10,29F0418-1SR-10,IC0805B332R-10,LI0805G301R-10,MI0805J102R-10,HI2220R301R-10,LI0603B201R-10,HZ0603A252R-10,CM2824E702R-10,IC0603A472R-10,LI0402C221R-10,LI0805H121R-10,HI0805N310R-10,HI1806T600R-10,HI2220T101R-10,CPI0806KR47R-10,28C0236-0DW-10,DA1206D600R-10,CM0805C221R-10,CC2824,29F0303-0T0-10,CPI0806J3R3R-10,HZ1206E152R-10,MI0603K471R-10,CC2824B475R-10,HI2220P701R-10,CC2824E471R-10,28L0138-70R-10,CPI0805E3R3R-10,DA1206B601R-10,CM0805C601R-10,IC1206B331R-10,CPI0805G1R8R-10,35F0121-0SR-10,CM5441Z161B-10,CM1206C161R-10,HZ0805D152R-10,28C0236-0BW-10,IC1206A332R-10,CPI0806J1R2R-10,CPI1008KR68R-10,HI2220P601R-10,CPI0805JR68R-10,MI1812K121R-10,CM 32 ARRAY,HI0805R800R-10,IC0805A681R-10,CMX1616X282B-10,HI1206N680R-10,HZ0603B112R-10,HI2220P551R-10,CC1812C513R-10,CPI1008K1R8R-10,CM5022R800R-10,CMX1211Y801B-10,LI0402B301R-10,28L0138-50R-10,HI0805N221R-10,28F0121-1SR-10,IC0805C470R-10,LF1206C202R-10,CPI0805IR82R-10,DA1206B102R-10,IC1206A472R-10,MI1206K601R-10,CM6032V201R-10,HI0603N300R-10,HZ0603A152R-10,CM4440Z111R-10,HI0603P600R-10,HZ0603C152R-10,LI0603G800R-10,IC0805B101R-10,CM5441Z161R-10,CMX1211Z680B-10,HI1812T800R-10,MI0603J680R-10,28F0121-0SR-10,HZ0805C202R-10,CM6032V301R-10,CPI0806J2R2R-10,CM3421Y600R-10,CPI0806J4R7R-10,HI1206N101R-10,LI0402D121R-10,LI0805H750R-10,29F0328-0T0-10,DA1206C121R-10,MI1206K310R-10,LI0402C220R-10,HR2220V701R-10,CM2722R151R-10,IC0805A103R-10,CPI1008KR47R-10,CM2722R800R-10,LI1206H121R-10,CMX1616Z701B-10,CF0504C900R-10,HI2220P271R-10,CF0805D121R-10,CPI1008J3R3R-10,IC1206B183R-10,LI0603E470R-10,CMX1211W182B-10,IC0805B182R-10,HI1206P121R-10,HI1812V101R-10,29F0429-0T0-10,IC0805B122R-10,HZ0805B222R-10,MI1210K600R-10,29F0318-1SR-10,CF0805D181R-10

选型指南 - LAIRD - 2017年01月01日 PDF 中文下载

爱浦电子坚持精选优良材料，铸就高品质电子组件

在电子产品的制造中，材料的选择至关重要。它不仅关系到产品的性能和寿命，也是影响产品能否获得市场青睐的关键因素。爱浦电子深知这一点，始终将材料的选择作为提升产品质量和竞争力的核心要素。

厂牌及品类发布时间 : 2024-09-12

爱浦电子（Aipulnion）DC-DC模块电源/AC-DC模块电源/行业应用电源选型指南

描述- 广州市爱浦电子科技有限公司创立于2004年，专业从事模块电源研发、生产、销售和电源解决方案的国家高新技术企业。目前，公司已经通过ISO9001：2015质量管理体系。爱浦电子拥有专业的生产设备：贴片机、回流焊、波峰焊、电源自动化测试设备、EMI实验室等；作为十九年品牌企业，爱浦电子拥有丰富的产品设计经验，已经申请了多项关键技术国家专利；到目前为止，产品系列分为1-700W的DC-DC模块电源，2-200W的AC-DC模块电源，通讯隔离收发模块。

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选型指南 - 爱浦电子 - A/0版 - 2023/08 PDF 中文下载

爱浦电子模块电源选型表

提供爱浦电子：AC/DC模块电源：中小功率（2-30W）高性能标准电压（5V、12V）的模块；DC/DC模块电源：小功率（3-20W）、中大功率（30-700W）、微功率（1-2W）模块，提供9-36Vdc、1872Vdc的超宽电压输入；光伏模块电源：BK系列是200-1500VDC超高电压输入高效率高可靠性高隔离电压的 DC-DC 开关稳压模块电源；隔离收发模块。

产品型号	品类	输出功率(W)	输入电压范围(V)	输出电压(V)	输出电流	包装形式（Package）	应用等级	等级认证标准
FD6-18S05A3	模块电源	6W	9V~36V	5V	1.2A	管	工业级	CE/RoHS

选型表 - 爱浦电子立即选型

爱浦电子针对光伏新能源推出BK150系列，具有高自动化工艺设计，减少冗余设计，达到性能和成本的最佳匹配

爱浦电子针对光伏新能源领域推出了BK150系列新品。这些产品具有高自动化的工艺设计，器件布局精致美观，减少了冗余设计，以达到性能和成本的最佳匹配。BK150系列的特点包括高输出效率、宽工作温度范围、以及多重保护功能，如输入欠压、输出过流、输出过压及短路保护等，满足了一系列国际认证标准，适用于光伏支架跟踪器控制器等场合。

产品发布时间 : 2024-09-12