電源設計知識解析-電源設計中的去耦電容應用實例

電源設計知識解析-電源設計中的去耦電容應用實例

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，作爲一款優秀的設計，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。

大家對電容的概念大多還停留在理想的電容階段，一般認爲電容就是一個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的鋁電解電容有什麽不同。實際的電容可以等效成下面的電路形式：

C：电容容值。一般是指在1kHz，1V 等效AC电压，直流偏压为0V情况下测到的，不过也可有很多电容测量的环境不同。但有一点需注意，电容值C本身是会随环境发生改变的。

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，那麽ESL是2.4nH，可以算一下C和ESL的諧振頻率爲10MHz左右，當頻率高于10MHz，則電容體現爲電感特性。

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，于是等效成一個電阻，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，瓷片電容一般爲幾十毫歐，钽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，瓷片電容和钽電容。

1）铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制，然后再浸电解质液制成的，其原理是化学原理，电容充放电靠的是化学反应，电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制，一般都应用在频率较低（1M 以下）的滤波场合，ESR主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和，值比较大。铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高10度，电解电容的寿命会减半。如果电容在室温27 度时能使用10000小时的话，57度的环境下只能使用1250小时。所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。

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，瓷片電容因爲介質不同，也呈現很大的差異。性能最好的是C0G材質的電容，溫度系數小，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，容量變爲標稱值的50%。

可以看到50V 耐压的Y5V 瓷片电容在应用在30V 时，容量只有标称值的30%。陶瓷电容有一个很大的缺点，就是易碎。所以需要避免磕碰，尽量远离电路板易发生形变的地方。

3）钽電容無論是原理和結構都像一個電池。下面是钽電容的內部結構示意圖：

钽电容拥有体积小、容量大、速度快、ESR低等优势，价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容，而如果想得到较大的耐压就需要较厚的Ta2O5，这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。钽电容需引起注意的另一个地方是：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容时需考虑（比如1000uF 钽电容）。

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，以後用“退耦”代替）是減小局部電路對外的噪聲幹擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個電路結構：

图中开关电源为A和B供电。电流经C1 后再经过一段PCB 走线（暂等效为一个电感，实际用电磁波理论分析这种等效是有误的，但为方便理解，仍采用这种等效方式。）分开两路分别供给A 和B。开关电源出来的纹波比较大，于是我们使用C1对电源进行滤波，为A和B提供稳定的电压。C1需要尽可能的靠近电源放置。C2和C3均为旁路电容，起退耦作用。当A在某一瞬间需要一个很大的电流时，如果没有C2 和C3，那么会因为线路电感的原因A端的电压会变低，而B端电压同样受A端电压影响而降低，于是局部电路A的电流变化引起了局部电路B的电源电压，从而对B电路的信号产生影响。同样，B的电流变化也会对A 形成干扰。这就是“共路耦合干扰”。

增加了C2後，局部電路再需要一個瞬間的大電流的時候，電容C2可以爲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。

一般滤波主要使用大容量电容，对速度要求不是很快，但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。浪涌电流较小的情况下，使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。从上面的例子我们可以知道，作为退耦的电容，必需有很快的响应速度才能达到效果。如果图中的局部电路A 是指一个芯片的话，那么退耦电容要用瓷片电容，而且电容尽可能靠近芯片的电源引脚。而如果“局部电路A”是指一个功能模块的话，可以使用瓷片电容，如果容量不够也可以使用钽电容或铝电解电容（前提是功能模块中各芯片都有了退耦电容—瓷片电容）。滤波电容的容量往往都可以从开关电源芯片的数据手册里找到计算公式。如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话，把电解电容放的离开关电源最近，这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。

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，在這些頻段內如果一個0.01uF電容能達到容量需求，那麽它將比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計指導手冊會給出電源設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，總容量要200uF以上。