電源設(shè)計(jì)中如何巧用電容

　　電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過(guò)程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實(shí)，作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的，它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。

　　這里，只介紹一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)計(jì)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(tǒng)提供一套廉價(jià)可靠的電源方案。這也是我們國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個(gè)主要原因，根源是研發(fā)風(fēng)氣吧，大多研發(fā)工程師毛燥、不踏實(shí);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(méi)有蛋吃，“路有餓死骨”也不值得可惜。

　　言歸正轉(zhuǎn)，先跟大家介紹一下電容。

　　大家對(duì)電容的概念大多還停留在理想的電容階段，一般認(rèn)為電容就是一個(gè)C。卻不知道電容還有很多重要的參數(shù)，也不知道一個(gè)1uF的瓷片電容和一個(gè)1uF的鋁電解電容有什么不同。實(shí)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(cè)到的，不過(guò)也可有很多電容測(cè)量的環(huán)境不同。但有一點(diǎn)需注意，電容值C本身是會(huì)隨環(huán)境發(fā)生改變的。

　　ESL：電容等效串聯(lián)電感。電容的管腳是存在電感的。在低頻應(yīng)用時(shí)感抗較小，所以可以不考慮。當(dāng)頻率較高時(shí)，就要考慮這個(gè)電感了。舉個(gè)例子，一個(gè)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(dāng)頻率高于10MHz，則電容體現(xiàn)為電感特性。

　　ESR：電容等效串聯(lián)電阻。無(wú)論哪種電容都會(huì)有一個(gè)等效串聯(lián)電阻，當(dāng)電容工作在諧振點(diǎn)頻率時(shí)，電容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻就是ESR。因電容結(jié)構(gòu)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(zhì)瓷片電容的頻率特性：

　　當(dāng)然，電容相關(guān)的參數(shù)還有很多，不過(guò)，設(shè)計(jì)中最重要的還是C和ESR。

　　下面簡(jiǎn)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(zhì)液制成的，其原理是化學(xué)原理，電容充放電靠的是化學(xué)反應(yīng)，電容對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動(dòng)速

　　度限制，一般都應(yīng)用在頻率較低（1M 以下）的濾波場(chǎng)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(huì)逐漸揮發(fā)而導(dǎo)致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發(fā)速度加快。溫度每升高10度，電解電容的壽命會(huì)減半。如果電容在室溫27 度時(shí)能使用10000小時(shí)的話(huà)，57度的環(huán)境下只能使用1250小時(shí)。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(yīng)，因而具有很高的響應(yīng)速度，可以應(yīng)用到上G的場(chǎng)合。不過(guò)，瓷片電容因?yàn)榻橘|(zhì)不同，也呈現(xiàn)很大的差異。性能最好的是C0G材質(zhì)的電容，溫度系數(shù)小，不過(guò)材質(zhì)介電常數(shù)小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質(zhì)，這種材質(zhì)介電常數(shù)大，所以容值能做到幾十微法。但是這種材質(zhì)受溫度影響和直流偏壓（直流電壓會(huì)致使材質(zhì)極化，使電容量減?。┯绊懞?chē)?yán)重。下面我們看一下C0G、X5R、Y5V三種材質(zhì)電容受環(huán)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(wěn)定性稍差些，而Y5V材質(zhì)在60度時(shí)，容量變?yōu)闃?biāo)稱(chēng)值的50%。

　　可以看到50V 耐壓的Y5V 瓷片電容在應(yīng)用在30V 時(shí)，容量只有標(biāo)稱(chēng)值的30%。陶瓷電容有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是易碎。所以需要避免磕碰，盡量遠(yuǎn)離電路板易發(fā)生形變的地方。

　　3）鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)電池。下面是鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：

　　鉭電容擁有體積小、容量大、速度快、ESR低等優(yōu)勢(shì)，價(jià)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(xì)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(gè)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(gè)大的瞬間電流導(dǎo)致電容燒毀而形成短路。這在使用超大容量鉭電容時(shí)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(yīng)用場(chǎng)合，并不是價(jià)格越高越好。

　　下面講一下電源設(shè)計(jì)中電容的作用。

　　在電源設(shè)計(jì)應(yīng)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(lái)噪聲，而退耦/旁路（一種，以旁路的形式達(dá)到退耦效果，以后用“退耦”代替）是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu)：