電源設(shè)計中不可或缺的電容細談

　　電源往往是我們在電路設(shè)計過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實，作為一款優(yōu)秀的設(shè)計，電源設(shè)計應(yīng)當(dāng)是很重要的，它很大程度影響了整個系統(tǒng)的性能和成本。

　　這里，只介紹一下電路板電源設(shè)計中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)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(tǒng)提供一套廉價可靠的電源方案。這也是我們國產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個主要原因。

　　1 電容的重要參數(shù)

　　好了，言歸正轉(zhuǎn)，先跟大家介紹一下電容。首先對電容品牌有一個大概的了解，市面上的國產(chǎn)電容有三環(huán)電容、風(fēng)華電容等品牌，臺企龍頭YAGEO電容（即國巨電容），以及國外進口品牌如TDK電容、SAMSUNG電容和MURATA電容都是比較知名的品牌。

　　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(shù)，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(huán)境不同。但有一點需注意，電容值C本身是會隨環(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)用時感抗較小，所以可以不考慮。當(dāng)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(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。無論哪種電容都會有一個等效串聯(lián)電阻，當(dāng)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(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，設(shè)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(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)，電容對信號的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動速度限制，一般都應(yīng)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(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，電解電容的壽命會減半。如果電容在室溫27度時能使用10000小時的話，57 度的環(huán)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(yīng)，因而具有很高的響應(yīng)速度，可以應(yīng)用到上G的場合。不過，瓷片電容因為介質(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（直流電壓會致使材質(zhì)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(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，容量變?yōu)闃?biāo)稱值的50%。

　　可以看到50V耐壓的Y5V瓷片電容在應(yīng)用在30V時，容量只有標(biāo)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(fā)生形變的地方。

　　3）鉭電容無論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個電池。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，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(dǎo)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(yīng)用場合，并不是價格越高越好。

　　2 電源設(shè)計中電容的作用

　　在電源設(shè)計應(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(jié)構(gòu)：

　　圖中開關(guān)電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)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(guān)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(wěn)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(dāng)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(chǎn)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(yīng)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(guān)電源芯片的數(shù)據(jù)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(guān)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(nèi)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(shè)計指導(dǎo)手冊會給出電源設(shè)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?cè)萘恳?00uF以上。