我們能夠用的電容器不單只有電容

上一篇文章我們講述了一下為什么要對(duì)電路板上每一個(gè)局部的器件進(jìn)行電源去耦-平滑掉本區(qū)域電流的瞬間需求導(dǎo)致的電源線(xiàn)上的波動(dòng)，從而保證本區(qū)域器件的正常工作，并且不會(huì)將本區(qū)域的波動(dòng)通過(guò)電源線(xiàn)傳遞（耦合）到相鄰的其它區(qū)域的電路上去。而電容由于具有儲(chǔ)能的功效成為了最好的去耦器件，因此在每個(gè)器件的電源管腳上幾乎都會(huì)看到去偶電容。

但問(wèn)題來(lái)了：

究竟需要多大容量的電容才能達(dá)到去耦的效果？

這么多不同種類(lèi)的電容選用哪種電容合適呢？

為什么在很多電路上看到針對(duì)一個(gè)電源管腳會(huì)有多個(gè)容量大小不同、類(lèi)型也不相同的電容一起工作呢？（如下圖）

在一個(gè)芯片（比如FPGA/MCU）的電源管腳上需要多個(gè)不同容值、不同類(lèi)型的電容并聯(lián)達(dá)到較好的去耦效果

首先，我們要面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)：

我們能夠用的電容器不單只有電容

事情本來(lái)很簡(jiǎn)單 - 根據(jù)庫(kù)倫定律，我們只需要通過(guò)某負(fù)載區(qū)域的電流變化范圍、變化頻率（多種速率共存）就可以推算出能夠應(yīng)對(duì)本區(qū)域電流波動(dòng)的電容C，然后在該管腳上放一個(gè)C不就得了？

就好比說(shuō) - 只要我們知道某個(gè)小區(qū)人均消耗糧食的速度，就可以推算出需要的糧庫(kù)的容量大小以滿(mǎn)足當(dāng)?shù)毓?yīng)的需求，只需要一個(gè)糧庫(kù)不就能滿(mǎn)足成千上萬(wàn)家的需要了么？為何還要家家都要有個(gè)儲(chǔ)存糧食的糧袋呢？因?yàn)?，你需要糧食的時(shí)候，糧食不會(huì)瞬間全部出現(xiàn)在你面前，畢竟你在每次去取糧食，能夠取的數(shù)量有限（相當(dāng)于有電阻），在去取糧食的路上會(huì)遇到盤(pán)問(wèn)（相當(dāng)于電感）。

回頭來(lái)看，我們用來(lái)去耦的電容器（不論是哪一種）用于在電源線(xiàn)上的瞬態(tài)干擾期間快速提供電流，它們都不只有“電容”一個(gè)屬性，還有兩個(gè)阻礙電流流動(dòng)的部分：電阻（ESR） - 無(wú)論頻率如何都呈現(xiàn)固定阻抗;電感（ESL）- 隨著頻率的增加其阻抗也變得更高。而這三部分的值與電容的類(lèi)型、容值、封裝都有很大的關(guān)系。也就相當(dāng)于倉(cāng)庫(kù)+一定阻力/寬度的道路+盤(pán)查的人，讓你在使用倉(cāng)庫(kù)的時(shí)候要付出額外的代價(jià)，而每種倉(cāng)庫(kù)的代價(jià)隨著其規(guī)模的大小，性質(zhì)的不同，其要付出的代價(jià)也是不同的。

作為最常用的去耦神器 -陶瓷電容具有很低的ESR和ESL（它們也很便宜），其次是鉭電容，提供適中的ESR和ESL，但相對(duì)有較高的電容/體積比，因此它們用于更高值的旁路電容，用于補(bǔ)償電源線(xiàn)上的低頻變化。對(duì)于陶瓷和鉭電容，較大的封裝通常意味著較高的ESL。

下圖顯示了0.1μF，封裝為0603的陶瓷電容器的阻抗，該電容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR：

正如前面討論的，去耦電容的作用就是平滑掉高頻變動(dòng)的紋波電流，理想的電容器可以很容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)殡娙萜鞯淖杩闺S著頻率的增加而降低。但由于ESL的存在，在某個(gè)頻率下阻抗實(shí)際上隨頻率開(kāi)始上升，這個(gè)頻率點(diǎn)又被稱(chēng)為自諧振頻率點(diǎn)。我們?cè)賹?duì)比一下1μF的鉭電容器，它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

由于其較高的電容值，鉭電容器的阻抗在開(kāi)始階段低于陶瓷的阻抗，但是較高的ESR和ESL的影響導(dǎo)致阻抗在100kHz附近變平，在1MHz-10MHz高于陶瓷電容的阻抗，在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。設(shè)想一下，如果電路中的噪聲頻率是在10MHz左右，即使鉭具有更高的電容，也不如放置一顆0.1μF的陶瓷電容更有效。如果我們要旁路掉更高頻率的噪聲，即使這個(gè)陶瓷電容也會(huì)存在太大的阻抗，我們就需要更低的ESL，也就是更小的封裝。

下圖左側(cè)表明兩個(gè)同樣是0603封裝的電容并不改變其對(duì)高頻噪聲的去偶性能，只是相當(dāng)于去耦電容的容量為二者的和而已，后面看到這個(gè)容量對(duì)旁路噪聲的效果其實(shí)沒(méi)有什么差別；而下圖的右側(cè)，一個(gè)0.1μF封裝為0603的電容和100pF封裝為0402的電容并聯(lián)在一起，就可以覆蓋更寬的高頻范圍，能夠?qū)蓚€(gè)頻點(diǎn)的噪聲進(jìn)行去偶。

回到本篇文章第一個(gè)圖，在同一個(gè)電源管腳并聯(lián)了三個(gè)去耦電容：

4.7μF的鉭電容，對(duì)比較低頻率的噪聲濾除比較有效；

0.1μF、0603的陶瓷電容，對(duì)1-50MHz區(qū)域的噪聲濾除效果比鉭電容有效；

0.001μF、0402的陶瓷電容，對(duì)于50MHz以上的高頻噪聲濾除比較有效；

具體的噪聲頻段可以通過(guò)電路分析（時(shí)鐘頻率）以及測(cè)量進(jìn)行確定，由此需要選用相應(yīng)類(lèi)型、相應(yīng)封裝的電容進(jìn)行去耦。多數(shù)的情況下我們用0.1μF陶瓷電容搭配一個(gè)鉭電容，就足以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)電源噪聲的去耦效果。

再給出一張圖供大家參考 - 即便都是陶瓷電容，隨著材料、容值的不同，其去耦的有效頻率段也是不同的，總之 - 容量越小、封裝越小，其自諧振頻率點(diǎn)也就越高，也就是其最低的等效阻抗的頻率點(diǎn)越高。

電容，應(yīng)該多大？

用作電源去耦作用的電容的性能取決于其兩個(gè)非理想特性 - 等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。事實(shí)證明，在電源去耦的應(yīng)用中，精確的電容值并不重要，這就是為什么“大家都說(shuō)”以及IC制造商也都提供相同的建議 - “每個(gè)電源引腳上0.1μF陶瓷電容” - 用于各種模擬和數(shù)字IC。

基于庫(kù)侖定律的估算在此不再贅述，只需要大家記住結(jié)論 - IC廠(chǎng)商給每顆IC提供多個(gè)電源管腳，每個(gè)管腳上只要放置一個(gè)0.1μF的電容，從用于平滑該電源電路上的波動(dòng)而存儲(chǔ)的電容量已經(jīng)足夠，就相當(dāng)于你每噸只吃一勺米，而你家里放了一個(gè)大米缸一樣，0.1μF是一個(gè)比較方便的值，就電容（不考慮ESR和ESL）而言，1μF或者0.01μF其實(shí)同樣合適。

總之，電容的選擇主要看你要去耦的噪聲的頻率范圍。

最后我們?cè)偈煜ひ幌赂鞣N電容的特性。

電容的種類(lèi)及差異：

下面是我們常見(jiàn)到的電容，各種形狀的、各種值、應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

上帝造萬(wàn)物，讓萬(wàn)物都有用，而沒(méi)有一樣物體是萬(wàn)能的，只有多種互補(bǔ)在一起用才能達(dá)到一定的效果，電容也是，下面的表格列出了我們常用的幾種電容的種類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)以及各自應(yīng)用的領(lǐng)域。

英文的閱讀起來(lái)有點(diǎn)難度？那就用中文的方式簡(jiǎn)單說(shuō)一下：

先介紹一下有極性的電解電容：

電解電容系列具有寬值范圍、高電容體積比和廣泛的工作電壓，是極佳的高性?xún)r(jià)比低頻濾波器元件。該系列包括通用鋁電解開(kāi)關(guān)類(lèi)型，提供10V以下直至約500V的工作電壓，大小為1μF至數(shù)千μF不等，其外形尺寸與容值成正比。此類(lèi)器件有相對(duì)較高的漏電流（可能為數(shù)十μA），具體漏電流在很大程度上取決于特定系列的設(shè)計(jì)、電氣尺寸、額定電壓及施加電壓。不過(guò)，漏電流對(duì)去耦不會(huì)造成大的影響。大多數(shù)去耦應(yīng)用不建議使用通用的鋁電解電容。不過(guò)，鋁電解電容有一個(gè)子集是"開(kāi)關(guān)型"，其設(shè)計(jì)并規(guī)定用于在最高達(dá)數(shù)百kHz的頻率下處理高脈沖電流，且損耗很低。此類(lèi)電容在高頻濾波應(yīng)用中可直接媲美固態(tài)鉭電容，且具有更廣泛的可用值。

固態(tài)鉭電解電容一般限于50V或更低的電壓，電容為500μF或更低。給定大小時(shí)，鉭電容比鋁開(kāi)關(guān)電解電容呈現(xiàn)出更高的電容體積比，且具有更高的頻率范圍和更低的ESR。鉭電容一般也比鋁電解電容更昂貴，對(duì)于浪涌和紋波電流，必須謹(jǐn)慎處理應(yīng)用。

最近，使用有機(jī)或聚合物電解質(zhì)的高性能鋁電解電容也已問(wèn)世。這些電容系列擁有略低于其他電解類(lèi)型的ESR和更高的頻率范圍，另外低溫ESR下降也最小。此類(lèi)元件使用鋁聚合物、特殊聚合物、POSCAP?和OS-CON?等標(biāo)簽

所有電解電容均有極性，無(wú)法耐受約1V以上的反向偏置電壓而不造成損壞，因此千萬(wàn)別把極性接反，以前在實(shí)驗(yàn)室工作的時(shí)候經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到“砰”的一聲，多半就是有極性的電容被接反了導(dǎo)致的。

再講一下陶瓷電容：

陶瓷或多層陶瓷(MLCC)具有尺寸緊湊和低損耗特性，通常是數(shù)MHz以上的首選電容材料。不過(guò)根據(jù)陶瓷電介質(zhì)特性的差異，陶瓷電容也細(xì)分為多種。對(duì)于電源去耦應(yīng)用，某一些類(lèi)型優(yōu)于其它類(lèi)型：

采用X7R的高K電介質(zhì)配方時(shí)，陶瓷電介質(zhì)電容的值最高可達(dá)數(shù)μF；

Z5U和Y5V型的額定電壓最高可達(dá)200 V；

X7R型在直流偏置電壓下的電容變化小于Z5U和Y5V型，因此是較佳選擇。

NP0（也稱(chēng)為COG）型使用介電常數(shù)較低的配方，具有標(biāo)稱(chēng)零TC和低電壓系數(shù)（不同于較不穩(wěn)定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1μF或更低，0.01μF是更實(shí)用的上限值。

多層陶瓷(MLCC)表面貼裝電容的極低電感設(shè)計(jì)可提供近乎最優(yōu)的RF旁路，因此越來(lái)越頻繁地用于10 MHz或更高頻率下的旁路和濾波。

更小的陶瓷芯片電容工作頻率范圍可達(dá)1GHz。對(duì)于高頻應(yīng)用中的這些及其它電容，通過(guò)選擇自諧振頻率高于最高目標(biāo)頻率的電容，可確保有用值符合需要。

薄膜型電容一般使用繞線(xiàn)，增加了電感，因此不適合電源去耦應(yīng)用。此類(lèi)型更常用于音頻應(yīng)用，此時(shí)需要極低電容和電壓系數(shù)。

最后，務(wù)必選擇擊穿電壓至少為電源電壓兩倍的電容，否則當(dāng)電路上電時(shí)，可能會(huì)發(fā)生意外。

它們都長(zhǎng)成這樣

最后我們看一下一個(gè)實(shí)際的電子產(chǎn)品上的電源是如何輸送到器件內(nèi)部的，在“糧食”供應(yīng)的路途中（物流）有各種曲折、關(guān)卡阻礙著供給的效率，這就需要在每個(gè)環(huán)節(jié)提供不同形式、反應(yīng)速度不同的“倉(cāng)儲(chǔ)”來(lái)應(yīng)對(duì)不同突發(fā)狀況的出現(xiàn)，確保每個(gè)局部安定團(tuán)結(jié)、局部和局部之間相安無(wú)事。當(dāng)然這些倉(cāng)儲(chǔ)位置的選址也是非常關(guān)鍵的，這是我們下一篇文章要講的內(nèi)容。

一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品一般需要多種電容的組合來(lái)去耦，以實(shí)現(xiàn)整體性能最優(yōu)