电容在电源中作用

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电容在电源中作用

2019-07-14 00:34发布生成海报

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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（f0=12πLC√）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。
这里写图片描述

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：

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：

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。