電源設計中的電容應用實例

電源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。
　　這裡，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，“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的鋁電解電容有什麼不同。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：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，於是等效成一個電阻，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，鉭電容介於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，然後再浸電解質液製成的，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

　　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。很可能由於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，並不是價格越高越好。
　　下面講一下電源設計中電容的作用。
　　在電源設計應用中，電容主要用於濾波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。濾波主要指濾除外來雜訊，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雜訊干擾。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，仍採用這種等效方式。）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需要儘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 形成干擾。這就是“共路耦合干擾”。