這裏，隻介紹一下電路板電源設計中的電容使用情況。這往往又是電源設計中最容易被忽略的地方。很多人搞ARM
，搞DSP
，搞FPGA
，乍zha一yi看kan似si乎hu搞gao的de很hen高gao深shen，但dan未wei必bi有you能neng力li為wei自zi己ji的de係xi統tong提ti供gong一yi套tao廉lian價jia可ke靠kao的de電dian源yuan方fang案an。這zhe也ye是shi我wo們men國guo產chan電dian子zi產chan品pin功gong能neng豐feng富fu而er性xing能neng差cha的de一yi個ge主zhu要yao原yuan因yin，根gen源yuan是shi研yan發fa風feng氣qi吧ba，大da多duo研yan發fa工gong程cheng師shi毛mao燥zao

、不踏實;而公司為求短期效益也隻求功能豐富，隻管今天殺雞飽餐一頓，不管明天還有沒有蛋吃，“路有餓死骨”也不值得可惜。

 

好了，言歸正轉
，先跟大家介紹一下電容

 

大家對電容的概念大多還停留在理想的電容階段，一般認為電容就是一個C。卻不知道電容還有很多重要的參數，也不知道一個1uF的瓷片電容和一個1uF的鋁電解電容有什麼不同。

 

實際的電容可以等效成下麵的電路形式：

 

 

C:電容容值。一般是指在1kHz，1V等效AC電壓，直流偏壓為0V情況下測到的，不過也可有很多電容測量的環境不同。但有一點需注意，電容值C本身是會隨環境發生改變的。

 

ESL：dianrongdengxiaochuanliandiangan。dianrongdeguanjiaoshicunzaidiangande。zaidipinyingyongshigankangjiaoxiao，suoyikeyibukaolv。dangpinlvjiaogaoshi，jiuyaokaolvzhegedianganle。jugelizi，yige0805封裝的0.1uF貼片電容，每管腳電感1.2nH,那麼ESL是2.4nH,可以算一下C和ESL的諧振頻率為10MHz左右
，當頻率高於10MHz，則電容體現為電感特性。

 

ESR:dianrongdengxiaochuanliandianzu。wulunnazhongdianrongdouhuiyouyigedengxiaochuanliandianzu，dangdianronggongzuozaixiezhendianpinlvshi
，dianrongderongkanghegankangdaxiaoxiangdeng，yushidengxiaochengyigedianzu，zhegedianzujiushiESR。因電容結構不同而有很大差異。鋁電解電容ESR一般由幾百毫歐到幾歐，瓷片電容一般為幾十毫歐，鉭電容介於鋁電解電容和瓷片電容之間。

 

下麵我們看一些X7R材質瓷片電容的頻率特性：

 

 

當然
，電容相關的參數還有很多，不過
，設計中最重要的還是C和ESR。

 

下麵簡單介紹一下我們常用到的三種電容：鋁電解電容，瓷片電容和鉭電容。

 

1、鋁lv電dian容rong是shi由you鋁lv箔bo刻ke槽cao氧yang化hua後hou再zai夾jia絕jue緣yuan層ceng卷juan製zhi
，然ran後hou再zai浸jin電dian解jie質zhi液ye製zhi成cheng的de，其qi原yuan理li是shi化hua學xue原yuan理li，電dian容rong充chong放fang電dian靠kao的de是shi化hua學xue反fan應ying

，電dian容rong對dui信xin號hao的de響xiang應ying速su度du受shou電dian解jie質zhi中zhong帶dai電dian離li子zi的de移yi動dong速su度du限xian製zhi，一yi般ban都dou應ying用yong在zai頻pin率lv較jiao低di(1M以下)的濾波場合，ESR主zhu要yao為wei鋁lv萡萡電dian阻zu和he電dian解jie液ye等deng效xiao電dian阻zu的de和he，值zhi比bi較jiao大da。鋁lv電dian容rong的de電dian解jie液ye會hui逐zhu漸jian揮hui發fa而er導dao致zhi電dian容rong減jian小xiao甚shen至zhi失shi效xiao，隨sui溫wen度du升sheng高gao揮hui發fa速su度du加jia快kuai。溫wen度du每mei升sheng高gao10度，電解電容的壽命會減半。如果電容在室溫27度時能使用10000小時的話，57度的環境下隻能使用1250小時。所以鋁電解電容盡量不要太靠近熱源。

 

2、瓷片電容存放電靠的是物理反應，因而具有很高的響應速度，可以應用到上G的場合。不過，瓷片電容因為介質不同
，也呈現很大的差異。性能最好的是C0G材質的電容，溫度係數小，不過材質介電常數小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質
，這種材質介電常數大，所以容值能做到幾十微法。但是這種材質受溫度影響和直流偏壓(直流電壓會致使材質極化，使電容量減小)影響很嚴重。下麵我們看一下C0G

、X5R、Y5V三種材質電容受環境溫度和直流工作電壓的影響。

 

 

可以看到C0G的容值基本不隨溫度變化

，X5R穩定性稍差些，而Y5V材質在60度時，容量變為標稱值的50%。

 

 

可以看到50V耐壓的Y5V瓷片電容在應用在30V時，容量隻有標稱值的30%。

 

陶瓷電容有一個很大的缺點

，就是易碎。所以需要避免磕碰，盡量遠離電路板易發生形變的地方。

 

3、鉭電容無論是原理和結構都像一個電池。下麵是鉭電容的內部結構示意圖：

 

 

鉭電容擁有體積小、容量大
、速度快
、ESR低(di)等(deng)優(you)勢(shi)，價(jia)格(ge)也(ye)比(bi)較(jiao)高(gao)。決(jue)定(ding)鉭(tan)電(dian)容(rong)容(rong)量(liang)和(he)耐(nai)壓(ya)的(de)是(shi)原(yuan)材(cai)料(liao)鉭(tan)粉(fen)顆(ke)粒(li)的(de)大(da)小(xiao)。顆(ke)粒(li)越(yue)細(xi)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)越(yue)大(da)的(de)電(dian)容(rong)，而(er)如(ru)果(guo)想(xiang)得(de)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)耐(nai)壓(ya)就(jiu)需(xu)要(yao)較(jiao)厚(hou)的(de)Ta2O5，這就要求使用顆粒大些的鉭粉。所以體積相同要想獲得耐壓高而又容量大的鉭電容難度很大。鉭電容需引起注意的另一個地方是:鉭(tan)電(dian)容(rong)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)擊(ji)穿(chuan)而(er)呈(cheng)短(duan)路(lu)特(te)性(xing)
，抗(kang)浪(lang)湧(yong)能(neng)力(li)差(cha)。很(hen)可(ke)能(neng)由(you)於(yu)一(yi)個(ge)大(da)的(de)瞬(shun)間(jian)電(dian)流(liu)導(dao)致(zhi)電(dian)容(rong)燒(shao)毀(hui)而(er)形(xing)成(cheng)短(duan)路(lu)。這(zhe)在(zai)使(shi)用(yong)超(chao)大(da)容(rong)量(liang)鉭(tan)電(dian)容(rong)時(shi)需(xu)考(kao)慮(lv)(比如1000uF鉭電容)。

 

從上麵可以了解到不同的電容有不同的應用場合，並不是價格越高越好。

 

下麵講一下電源設計中電容的作用

 

在電源設計應用中，電容主要用於濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。

濾波主要指濾除外來噪聲，而退耦/旁路(一種，以旁路的形式達到退耦效果，以後用“退耦”代替)是減小局部電路對外的噪聲幹擾。很多人容易把兩者搞混。下麵我們看一個電路結構：

 

 

圖中開關電源為A和B供電。電流經C1後再經過一段PCB走線(暫等效為一個電感，實際用電磁波理論分析這種等效是有誤的，但為方便理解，仍采用這種等效方式。)分開兩路分別供給A和B。開關電源出來的紋波比較大
，於是我們使用C1對電源進行濾波，為A和B提供穩定的電壓。C1需要盡可能的靠近電源放置。C2和C3均為旁路電容

，起退耦作用。當A在某一瞬間需要一個很大的電流時，如果沒有C2和C3，那麼會因為線路電感的原因A端的電壓會變低
，而B端電壓同樣受A端電壓影響而降低，於是局部電路A的電流變化引起了局部電路B的電源電壓
，從而對B電路的信號產生影響。同樣
，B的電流變化也會對A形成幹擾。這就是“共路耦合幹擾”。

 

增加了C2後，局部電路再需要一個瞬間的大電流的時候
，電容C2可以為A暫時提供電流
，即使共路部分電感存在，A端電壓不會下降太多。對B的影響也會減小很多。於是通過電流旁路起到了退耦的作用。

 

一(yi)般(ban)濾(lv)波(bo)主(zhu)要(yao)使(shi)用(yong)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)容(rong)，對(dui)速(su)度(du)要(yao)求(qiu)不(bu)是(shi)很(hen)快(kuai)，但(dan)對(dui)電(dian)容(rong)值(zhi)要(yao)求(qiu)較(jiao)大(da)。一(yi)般(ban)使(shi)用(yong)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)。浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)較(jiao)小(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，使(shi)用(yong)鉭(tan)電(dian)容(rong)代(dai)替(ti)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)效(xiao)果(guo)會(hui)更(geng)好(hao)一(yi)些(xie)。從(cong)上(shang)麵(mian)的(de)例(li)子(zi)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)，作(zuo)為(wei)退(tui)耦(ou)的(de)電(dian)容(rong)，必(bi)需(xu)有(you)很(hen)快(kuai)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)才(cai)能(neng)達(da)到(dao)效(xiao)果(guo)。如(ru)果(guo)圖(tu)中(zhong)的(de)局(ju)部(bu)電(dian)路(lu)A是指一個芯片的話，那麼退耦電容要用瓷片電容，而且電容盡可能靠近芯片的電源引腳。而如果“局部電路A”是指一個功能模塊的話，可以使用瓷片電容
，如果容量不夠也可以使用鉭電容或鋁電解電容(前提是功能模塊中各芯片都有了退耦電容—瓷片電容)。

 

濾波電容的容量往往都可以從開關電源芯片的數據手冊裏找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、鉭tan電dian容rong和he瓷ci片pian電dian容rong的de話hua，把ba電dian解jie電dian容rong放fang的de離li開kai關guan電dian源yuan最zui近jin，這zhe樣yang能neng保bao護hu鉭tan電dian容rong。瓷ci片pian電dian容rong放fang在zai鉭tan電dian容rong後hou麵mian。這zhe樣yang可ke以yi獲huo得de最zui好hao的de濾lv波bo效xiao果guo。

 

 

退耦電容需要滿足兩個要求，一個是容量需求，另一個是ESR需求。也就是說一個0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個0.01uF電容效果好。而且，0.01uF電容在較高頻段有更低的阻抗，在這些頻段內如果一個0.01uF電容能達到容量需求，那麼它將比0.1uF電容擁有更好的退耦效果。

 

很多管腳較多的高速芯片設計指導手冊會給出電源設計對退耦電容的要求
，比如一款500多腳的BGA封裝要求3.3V電源至少有30個瓷片電容，還要有幾個大電容，總容量要200uF以上…

 

 

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