電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(二)：電容

　　八、電容的作用

　　作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

　　1、應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之：

　　1)旁路

　　旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。 就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。

　　2)去藕

　　去藕，又稱解藕。 從電路來說， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負(fù)載。

　　如果負(fù)載電容比較大， 驅(qū)動電路要把電容充電、放電， 才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候， 電流比較大， 這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻(特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)生反彈)，這種電流相對于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。

　　去藕電容就是起到一個“電池”的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。

　　將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF 等;

　　而去耦合電容的容量一般較大，可能是10μF 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。

　　旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

　　3)濾波

　　從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時(shí)會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容(1000μF)濾低頻，小電容(20pF)濾高頻。

　　曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。

　　4)儲能

　　儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000μF 之間的鋁電解電容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時(shí)會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對于功率級超過10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

　　2、應(yīng)用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用：

　　1)耦合

　　舉個例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合， 這個電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個電容， 由于適當(dāng)容量的電容器對交流信號較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。

　　2)振蕩/同步

　　包括RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

　　3)時(shí)間常數(shù)

　　這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時(shí)，電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述：

　　i = (V / R)e - (t / CR)

　　九、電容的選擇

　　通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?筆者認(rèn)為，應(yīng)基于以下幾點(diǎn)考慮：

　　1、靜電容量;

　　2、額定耐壓;

　　3、容值誤差;

　　4、直流偏壓下的電容變化量;

　　5、噪聲等級;

　　6、電容的類型;

　　7、電容的規(guī)格。

　　那么，是否有捷徑可尋呢?其實(shí)，電容作為器件的外圍元件，幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數(shù)，也就是說，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。

　　其實(shí)選用電容時(shí)不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。

　　下面是 chip capacitor 根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類， 介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。

　　NP0 or CH (K < 150)： 電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于K 值較小，所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。

　　X7R or YB (2000 < K < 4000)： 電氣性能較穩(wěn)定，在溫度﹑電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著(ΔC < ±10%)。適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩(wěn)定性要求不太高的全頻鑒電路。

　　Y5V or YF(K > 15000)： 容量穩(wěn)定性較 X7R 差(ΔC < +20% ～ -80%)，容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由于其K 值較大，所以適用于一些容值要求較高的場合。

　　十、多層陶瓷電容(MLCC)

　　對于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。其中，要數(shù)多層陶瓷電容(MLCC)的發(fā)展最快。

　　多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛，但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對其提出了新要求。例如，手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能;基帶處理器要求高速度、低電壓;LCD 模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容。 而汽車環(huán)境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足150℃ 的工作溫度;其次是在電池電路上需要短路失效保護(hù)設(shè)計(jì)。

　　也就是說，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。

　　陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù)， 因此需要從材料方面，降低介電常數(shù)對電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。

　　應(yīng)用中較為常見的是 X7R(X5R)類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF 以上，該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻(ESR)，在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。

　　另一類多層陶瓷電容是 C0G 類，它的容量多在 1000pF 以下， 該類電容器主要性能指標(biāo)是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統(tǒng)的貴金屬電極(NME)的 C0G產(chǎn)品 DF 值范圍是 (2.0 ～ 8.0) × 10-4，而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極(BME)的C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍為 (1.0 ～ 2.5) × 10-4， 約是前者的 31 ～ 50%。 該類產(chǎn)品在載有 T/R 模塊電路的 GSM、CDMA、無繩電話、藍(lán)牙、GPS 系統(tǒng)中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路，如振蕩/同步器、定時(shí)器電路等。

　　十一、鉭電容替代電解電容的誤區(qū)

　　通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好，因?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽極氧化后生成的五氧化二鉭，它的介電能力(通常用ε 表示)比鋁電容的三氧化二鋁介質(zhì)要高。因此在同樣容量的情況下，鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。(電解電容的電容量取決于介質(zhì)的介電能力和體積，在容量一定的情況下，介電能力越高，體積就可以做得越小，反之，體積就需要做得越大)再加上鉭的性質(zhì)比較穩(wěn)定，所以通常認(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好。

　　但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經(jīng)過時(shí)了，目前決定電解電容性能的關(guān)鍵并不在于陽極，而在于電解質(zhì)，也就是陰極。因?yàn)椴煌年帢O和不同的陽極可以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于電解質(zhì)的不同，性能可以差距很大，總之陽極對于電容性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極。

　　還有一種看法是認(rèn)為鉭電容比鋁電容性能好，主要是由于鉭加上二氧化錳陰極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為二氧化錳， 那么它的性能其實(shí)也能提升不少。

　　可以肯定，ESR 是衡量一個電容特性的主要參數(shù)之一。 但是，選擇電容，應(yīng)避免 ESR 越低越好，品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。衡量一個產(chǎn)品，一定要全方位、多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無意的夸大。

　　---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

　　普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽極和陰極和電解質(zhì)，陽極是鈍化鋁，陰極是純鋁，所以關(guān)鍵是在陽極和電解質(zhì)。陽極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問題。

　　一般來說，鉭電解電容的ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多，高頻性能更好。如果那個電容是用在濾波器電路(比如中心為50Hz 的帶通濾波器)的話，要注意容量變化后對濾波器性能(通帶。。。)的影響。

　　十二、旁路電容的應(yīng)用問題

　　嵌入式設(shè)計(jì)中，要求MCU從耗電量很大的處理密集型工作模式進(jìn)入耗電量很少的空閑/休眠模式。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達(dá)到20A/ms 甚至更快。

　　通常采用旁路電容來解決穩(wěn)壓器無法適應(yīng)系統(tǒng)中高速器件引起的負(fù)載變化，以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應(yīng)。旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。

　　應(yīng)該明白，大容量和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負(fù)載電流或許為階梯變化所帶來的問題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負(fù)載變化非常劇烈的情況下，則需要三個或更多不同容量的電容，以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流?？焖俚乃矐B(tài)過程由高頻小容量電容來抑制，中速的瞬態(tài)過程由低頻大容量來抑制，剩下則交給穩(wěn)壓器完成了。

　　還應(yīng)記住一點(diǎn)，穩(wěn)壓器也要求電容盡量靠近電壓輸出端。

　　十三、電容的等效串聯(lián)電阻ESR

　　普遍的觀點(diǎn)是：一個等效串聯(lián)電阻(ESR)很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)的峰值(紋波)電流。但是，有時(shí)這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器(特別是線性穩(wěn)壓器 LDO)的不穩(wěn)定，所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情況它都會出現(xiàn)。

　　由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的作用，因此需要額外大容量的電容來減緩相對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對于大電容的快速變換。通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的Dasheet 規(guī)定之內(nèi)。

　　高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01μF 到0.1μF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容(MLCC)具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒，時(shí)間長短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。

　　用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好那么低的單個電容當(dāng)然更具成本效益。然而，這需要你在 PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

　　十四、電源輸入端的X，Y 安全電容

　　在交流電源輸入端，一般需要增加三個電容來抑制EMI傳導(dǎo)干擾。

　　交流電源的輸入一般可分為三根線：火線(L)/零線(N)/地線(G)。在火線和地線之間及在零線和地線之間并接的電容，一般稱之為Y 電容。這兩個Y電容連接的位置比較關(guān)鍵，必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電，容易危及人身安全及生命，所以它們都屬于安全電容，要求電容值不能偏大，而耐壓必須較高。一般地，工作在亞熱帶的機(jī)器，要求對地漏電電流不能超過0.7mA;工作在溫帶機(jī)器，要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此，Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700pF。

　　特別提示：Y 電容為安全電容，必須取得安全檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。Y 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V 以上。因此，Y 電容不能隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V之類的普通電容來代用。

　　在火線和零線抑制之間并聯(lián)的電容，一般稱之為X 電容。由于這個電容連接的位置也比較關(guān)鍵，同樣需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，X 電容同樣也屬于安全電容之一。X 電容的容值允許比Y 電容大，但必須在X 電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)，由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí)，在兩秒鐘內(nèi)，電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電壓的30%。

　　同理，X 電容也是安全電容，必須取得安全檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣，但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V 以上，使用的時(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V，或DC400V 之類的普通電容來代用。

　　X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容，這種電容體積一般都很大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)都很低，動態(tài)內(nèi)阻較高。用普通電容代替X 電容，除了耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿足要求的。

　　實(shí)際上，僅僅依賴于Y 電容和X 電容來完全濾除掉傳導(dǎo)干擾信號是不太可能的。因?yàn)楦蓴_信號的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz 到幾百M(fèi)Hz，甚至上千MHz 的頻率范圍。通常，對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全條件的限制，Y 電容和X 電容的容量都不能用大;對高端干擾信號的濾除，大容量電容的濾波性能又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，因?yàn)樗怯镁砝@工藝生產(chǎn)的，并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn)，一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng)，它會降低電容器的工作頻率，聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz 左右，超過1MHz 其阻抗將顯著增加。

　　因此，為抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，除了選用Y 電容和X 電容之外，還要同時(shí)選用多個類型的電感濾波器，組合起來一起濾除干擾。電感濾波器多屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多規(guī)格類型，例如有：差模、共模，以及高頻、低頻等。每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用，對其它率的干擾信號的濾除效果不大。通常，電感量很大的電感，其線圈匝數(shù)較多，那么電感的分布電容也很大。高頻干擾信號將通過分布電容旁路掉。而且，導(dǎo)磁率很高的磁芯，其工作頻率則較低。目前，大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz 以下。對于工作頻率要求比較高的場合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)磁率一般都不高，但漏感特別小，比如，非晶合金磁芯，坡莫合金等。