工程師手冊(cè)：電源設(shè)計(jì)中的電容選用規(guī)則講解

　　電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的，它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。 電源設(shè)計(jì)中的電容使用，往往又是電源設(shè)計(jì)中最容易被忽略的地方。

　　一、電源設(shè)計(jì)中電容的工作原理

　　在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用中，電容主要用于濾波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。根據(jù)觀察某一隨機(jī)過程的結(jié)果，對(duì)另一與之有關(guān)的隨機(jī)過程進(jìn)行估計(jì)的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論，它是從含有干擾的接收信號(hào)中提取有用信號(hào)的一種技術(shù)?！敖邮招盘?hào)”相當(dāng)于被觀測(cè)的隨機(jī)過程，“有用信號(hào)”相當(dāng)于被估計(jì)的隨機(jī)過程。

　　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(dá)到退耦效果，以后用“退耦”代替）是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu)：

　　圖中電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過一段PCB走線分開兩路分別供給A和B。當(dāng)A在某一瞬間需要一個(gè)很大的電流時(shí)，如果沒有C2和C3，那么會(huì)因?yàn)榫€路電感的原因A端的電壓會(huì)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(duì)B電路的信號(hào)產(chǎn)生影響。同樣，B的電流變化也會(huì)對(duì)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(gè)瞬間的大電流的時(shí)候，電容C2可以為A暫時(shí)提供電流，即使共路部分電感存在，A端電壓不會(huì)下降太多。對(duì)B的影響也會(huì)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(duì)速度要求不是很快，但對(duì)電容值要求較大。如果圖中的局部電路A是指一個(gè)芯片的話，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(gè)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電源芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)里找到計(jì)算公式。如果濾波電路同時(shí)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(hù)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(gè)要求，一個(gè)是容量需求，另一個(gè)是ESR需求。也就是說一個(gè)0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個(gè)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(gè)0.01uF電容能達(dá)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(jì)指導(dǎo)手冊(cè)會(huì)給出電源設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)瓷片電容，還要有幾個(gè)大電容，總?cè)萘恳?00uF以上…　　二、各類電源中電容器的正確選用

　　電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用，在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，電容器主要用作旁路耦合、電源濾波、隔直以及小信號(hào)中的振蕩、延時(shí)等。隨著電子線路，特別是電力電子電路的發(fā)展對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的電容器提出了不同的特殊要求。

　　電容器的結(jié)構(gòu)上說起。最簡(jiǎn)單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)（包括空氣）［1］構(gòu)成的。通電后，極板帶電，形成電壓（電勢(shì)差），但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個(gè)電容器是不導(dǎo)電的。不過，這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓（擊穿電壓）的前提條件下的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對(duì)絕緣的，當(dāng)物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是都可以導(dǎo)電的，我們稱這個(gè)電壓叫擊穿電壓。

　　電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。不過在中學(xué)階段，這樣的電壓在電路中是見不到的，所以都是在擊穿電壓以下工作的，可以被當(dāng)做絕緣體看。但是，在交流電路中，因?yàn)殡娏鞯姆较蚴请S時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成變化的電場(chǎng)，而這個(gè)電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數(shù)。

　　1.濾波電容器

　　交流電（工頻或高頻）經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑，要求電容器容量大，一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應(yīng)用時(shí)主要問題是溫度與壽命關(guān)系，基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場(chǎng)合下，應(yīng)選用長壽命（如5000h 以上，甚至105℃，5000h）電解電容器。一般體積小的電解電容器，其壽命相對(duì)較短。

　　用于DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器，因開關(guān)變換器是以脈沖形式向電源汲取電能，故濾波電容器中流過較大的高頻電流，當(dāng)電解電容器等效串聯(lián)電阻（ESR）較大時(shí)，將產(chǎn)生較大損耗，導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱。而低ESR 電解電容器則可明顯減小紋波（特別是高頻紋波）電流產(chǎn)生的發(fā)熱。

　　用于開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz 甚至500kHz時(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對(duì)較差。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，普通CDII 型中4700μF，16V 電解電容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF，16V 高頻電解電容器的低，同時(shí)普通電解電容器溫升相對(duì)較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時(shí)，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)不如高頻電解電容器。

　　由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發(fā)揮作用，應(yīng)輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：高頻特性好，ESR 低，如MMK5 型容量1μF 電容器，諧振頻率達(dá)2MHz 以上，等效阻抗小于0.02Ω，遠(yuǎn)低于電解電容器，而且容量越小諧振頻率越高（可達(dá)50MHz 以上），這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應(yīng)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　在濾波電容器中我們著重講解在開關(guān)電源中怎樣選用濾波電容

　　開關(guān)電源怎樣選用濾波電容

　　濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出