电源设计中如何巧用电容

电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。其实，作为一款优秀的设计，电源设计应当是很重要的，它很大程度影响了整个系统的性能和成本。

这里，只介绍一下电路板电源设计中的电容使用情况。这往往又是电源设计中最容易被忽略的地方。很多人搞ARM，搞DSp，搞FpGA，乍一看似乎搞的很高深，但未必有能力为自己的系统供应一套廉价可靠的电源方法。这也是我们国产电子产品功能丰富而性能差的一个重要原因，根源是研发风气吧，大多研发工程师毛燥、不踏实;而公司为求短时间效益也只求功能丰富，只管今天杀鸡饱餐一顿，不管明天还有没有蛋吃，“路有饿死骨”也不值得可惜。

言归正转，先跟大家介绍一下电容。

大家对电容的概念大多还停留在理想的电容阶段，一般认为电容就是一个C。却不了解电容还有很多重要的参数，也不了解一个1uF的瓷片电容和一个1uF的铝电解电容有什么不同。实际的电容可以等效成下面的电路形式：

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

ESR：电容等效串联电阻。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。

下面我们看一些X7R材质瓷片电容的频率特性：

当然，电容相关的参数还有很多，不过，设计中最重要的还是C和ESR。

下面简单介绍一下我们常用到的三种电容：铝电解电容，瓷片电容和钽电容。

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重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。假如电容在室温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）瓷片电容存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。性能最好的是C0G材质的电容，温度系数小，不过材质介电常数小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材质，这种材质介电常数大，所以容值能做到几十微法。但是这种材质受温度影响和直流偏压（直流电压会致使材质极化，使电容量减小）影响很严重。下面我们看一下C0G、X5R、Y5V三种材质电容受环境温度和直流工作电压的影响。

可以看到C0G的容值基本不随温度变化，X5R稳定性稍差些，而Y5V材质在60度时，容量变为标称值的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。所以要防止磕碰，尽量远离电路板易发生形变的地方。

3）钽电容无论是原理和结构都像一个电池。下面是钽电容的内部结构示意图：

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，而假如想得到较大的耐压就要较厚的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）。

从上面可以了解到不同的电容有不同的应用场合，并不是价格越高越好。

下面讲一下电源设计中电容的用途。

在电源设计应用中，电容重要用于滤波（filter）和退耦/旁路（decoupling/bypass）。滤波重要指滤除外来噪声，而退耦/旁路（一种，以旁路的形式达到退耦效果，以后用“退耦”代替）是减小局部电路对外的噪声干扰。很多人容易把两者搞混。下面我们看一个电路结构：