|
往往是我們在電路設計過程中最容易忽略的環節。其實，作為一款優秀的設計，電源設計應當是很重要的，它很大程度影響了整個系統的性能和成本。
這里，只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，乍一看似乎搞的很高深，但未必有能力為自己的系統提供一套廉價可靠的電源方案。這也是我們國產電子產品功能豐富而性能差的一個主要原因，根源是研發風氣吧，大多研發工程師毛燥、不踏實;而公司為求短期效益也只求功能豐富，只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。
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 的鋁電解電容有什么不同。實際的電容可以等效成下面的電路形式：
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：電容等效串聯電感。電容的管腳是存在電感的。在低頻應用時感抗較小，所以可以不考慮。當頻率較高時，就要考慮這個電感了。舉個例子，一個 0805 封裝的 0.1uF 貼片電容，每管腳電感 1.2nH，那么 ESL 是 2.4nH，可以算一下 C 和 ESL 的諧振頻率為 10MHz 左右，當頻率高于 10MHz，則電容體現為電感特性。
ESR：電容等效串聯電阻。無論哪種電容都會有一個等效串聯電阻，當電容工作在諧振點頻率時，電容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一個電阻，這個電阻就是 ESR。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，鉭電容介于鋁電解電容和瓷片電容之間。
下面我們看一些 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。
下面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）鋁電容是由鋁箔刻槽氧化后再夾絕緣層卷制，然后再浸電解質液制成的，其原理是化學原理，電容充放電靠的是化學反應，電容對信號的響應速度受電解質中帶電離子的移動速度限制，一般都應用在頻率較低（1M 以下）的濾波場合，ESR 主要為鋁萡電阻和電解液等效電阻的和，值比較大。鋁電容的電解液會逐漸揮發而導致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發速度加快。溫度每升高 10 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 度的環境下只能使用 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，溫度系數小，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。下面我們看一下 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，容量只有標稱值的 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。下面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 低等優勢，價格也比較高。決定鉭電容容量和耐壓的是原材料鉭粉顆粒的大小。顆粒越細可以得到越大的電容，而如果想得到較大的耐壓就需要較厚的 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：鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。很可能由于一個大的瞬間電流導致電容燒毀而形成短路。這在使用超大容量鉭電容時需考慮（比如 1000uF 鉭電容）。
從上面可以了解到不同的電容有不同的應用場合，并不是價格越高越好。
下面講一下電源設計中電容的作用。
在電源設計應用中，電容主要用于濾波（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，以后用“退耦”代替）是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面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 后再經過一段 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，于是我們使用 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，那么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，于是局部電路 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 形成干擾。這就是“共路耦合干擾”。
增加了 C2 后，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。于是通過電流旁路起到了退耦的作用。
一般濾波主要使用大容量電容，對速度要求不是很快，但對電容值要求較大。一般使用鋁電解電容。浪涌電流較小的情況下，使用鉭電容代替鋁電解電容效果會更好一些。從上面的例子我們可以知道，作為退耦的電容，必需有很快的響應速度才能達到效果。如果圖中的局部電路 A 是指一個芯片的話，那么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里找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、鉭電容和瓷片電容的話，把電解電容放的離開關電源最近，這樣能保護鉭電容。瓷片電容放在鉭電容后面。這樣可以獲得最好的濾波效果。
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，那么它將比 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…
官網：www.aoelectronics.com中文網：www.aoelectronics.cn |
