【必看】电容在电源中的作用,你掌握了吗?

1.电容的种类

常用到的三种电容:铝电解电容、陶瓷电容和钽电容。

铝电解电容: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,所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。

陶瓷电容:陶瓷片电容充放电靠的是物理反应,因而具有很高的响应速度,可以应用到上G的场合。不过,瓷片电容因为介质不同,也呈现很大的差异。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。

钽电容: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。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。

2.电容的等效参数

电容容值C: 一般是指在1kHz、1V等效AC电压、直流偏压为0V情况下测到的。

电容等效串联电感ESL: 电容的管脚是存在电感的。在低频应用时感抗一般较小,所以可以不考虑。当频率较高时,就要考虑这个电感了。例如,对于一个0805封装的0.1uF贴片电容,它的每管脚电感为1.2nH,那么ESL则为2.4nH,可以算一下C和ESL的谐振频率代码为10MHz左右,当频率高于10MHz,则电容体现为电感特性。

电容等效串联电阻ESR: 无论哪种电容都会有一个等效串联电阻,当电容工作在谐振点频率时,电容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一个电阻,这个电阻就是ESR,因电容结构不同而有很大差异。铝电解电容ESR一般由几百毫欧到几欧,瓷片电容一般为几十毫欧,钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。

3.电容在电源设计中的作用

在电源设计应用中,电容主要 用于滤波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。 
滤波主要指滤除外来噪声,而退耦/旁路(一种以旁路的形式达到退耦效果)是减小局部电路对外的噪声干扰。

PCB走线

如上图所示:图中的电源(开关电源)为IC芯片A和B供电,电流经C1后再经过一段PCB走线(近似等效为一个电感)分开两路分别供给A和B。

C1滤波电容:由于一般开关电源出来的纹波比较大,需要用C1对电源进行滤波,为A和B提供稳定的电压(此时C1相当于低频电源)。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,因此一般使用铝电解电容。在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。此外,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(可以理解为负载变化很快时),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后,局部电路再需要一个瞬间的大电流的时候,电容C2可以为A暂时提供电流(C2和C3相当于局部高频直流电源),即使共路部分电感存在,A端电压不会下降太多,对B的影响也会减小很多,于是通过电流旁路起到了退耦的作用。

C4去耦电容:由于旁路电容C2和C3不是理想的,有时会有高频分量窜出,因此需要加一个去耦电容来隔离干扰。

在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。旁路防止其他器件通过输入信号干扰本器件,去耦电容是防止本器件干扰其他器件。如下图所示: 

退耦电容

4.去耦电容在集成电路电源中的作用

去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 

数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH。0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感,它的并行共振频率大约在7MHz左右,也就是说,对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果,对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容,并行共振频率在20MHz以上,去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容,或1个蓄能电容,可选10μF左右。最好不用电解电容,电解电容是两层薄膜卷起来的,这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。

在模拟和数字的综合系统中,除了每个电源管脚的一个电容外(该电容取值:对于数字域,电容大约为100nF;而对于模拟域,电容大约为10nF。),两个域(数字和模拟域)还应该有一个10uF左右的电容。如下图所示: 

对于数字和模拟混合系统中,模拟电源和数字电源隔离的方法有:0欧姆电阻或者磁珠、光耦隔离

ps:对于数字和模拟混合系统中,模拟电源和数字电源隔离的方法有:0欧姆电阻或者磁珠、光耦隔离。

文章转载自:jiangfeipeng_csdn

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