电路板电源设计中的电容的使用详解

开关电源都是我们在电路原理全过程中最易于忽视的阶段。实际上，做为一款出色的设计方案，电源电路理应是很重要的，它非常大水平危害了全部系统的使用性能和成本费。

这儿，只介绍一下线路板电源电路中的电容器应用状况。这通常也是电源电路中最非常容易被忽视的地区。很多人搞ARM，搞DSP，搞FPGA，乍一看好像搞的很玄妙，但不一定有工作能力给自己的系统软件给予一套便宜靠谱的开关电源计划方案。这也是大家国内电子器件商品功能丰富而特性差的一个关键缘故，根本原因是产品研发作风吧，大多数技术工程师毛燥、不踏实;而企业以求短期内经济效益也只求功能丰富，只要今日杀鸡饱餐一顿，无论明日还有没有蛋吃，“路有饿死了骨”也不值遗憾。 好啦，言归正转，先跟我们介绍一下电容器 大伙儿对电容器的定义大多数还滞留在梦想的电容器环节，一般觉得电容器便是一个C。却不清楚电容器也有许多关键的主要参数，也不知道一个1uF的高压瓷片电容和一个1uF的电解电容器有什么区别。 具体的电容器可以等效电路成下边的电源电路方式：

C:电容器容值。一般指的是在1kHz，1V等效电路AC工作电压，直流电偏压为0V环境下测出的，但是也可有很多电容器精确测量的自然环境不一样。但有一点特别注意，电容器值C自身是会随自然环境发生改变的。 ESL：电容器等效电路串连电感器。电容器的引脚是存有电感器的。在低频率运用时感抗较小，因此可以不考虑到。当工作频率较高时，就需要考虑到这一电感器了。举例说明，一个0805封装形式的0.1uF贴片电容，每引脚电感器1.2nH,那麼ESL是2.4nH,可以算一下C和ESL的串联谐振为10MHz上下，当工作频率高过10MHz，则电容器反映为电感器特点。 ESR:电容器等效电路串连电阻器。不管哪一种电容器都是会有一个等效电路串联电阻，当电容器工作中在串联谐振点工作频率时，电容器的正弦交流电和感抗尺寸相同，因此等效电路成一个电阻器，这一电阻器便是ESR。因电容器构造差异而有较大差别。电解电容器ESR一般由好几百毫欧到几欧，高压瓷片电容一般为几十毫欧，贴片电解电容处于电解电容器和高压瓷片电容中间。 下边大家看一些X7R材料高压瓷片电容的频率特点：

自然，电容器有关的主要参数也有许多，但是，设计方案中最重要的或是C和ESR。 下边简易介绍一下大家常见到的三种电容器：电解电容器，高压瓷片电容和贴片电解电容。 1、铝电容器是由铝铂刻槽空气氧化后再夹电缆护套生产，随后再浸电解质溶液液结合的，其基本原理是化学原理，电容器充放靠的是化学变化，电容器对数据信号的访问速度受电解质溶液中通电正离子的发展网速限制，一般都运用在工作频率较低(1M下列)的过滤场所，ESR重要为铝萡电阻器和锂电池电解液等效电阻的和，值较为大。铝电容器的锂电池电解液会慢慢蒸发而造成电容器变大或者无效，随溫度上升蒸发速率加速。溫度每上升10度，电解电容器的使用寿命会递减。假如电容器在气温27度时能用10000钟头得话，57度的条件下必须用1250钟头。因此电解电容器最好不要太挨近热原。 2、高压瓷片电容摆放电靠的是物理反应，因此具备很高的响应时间，可以运用到上G的场所。但是，高压瓷片电容由于材质不一样，也产生非常大的差别。特性最好是的是C0G材料的电容器，温度系数小，但是板材相对介电常数小，因此容值不太可能做很大。而效果较好的是Z5U/Y5V材料，这类材料相对介电常数大，因此容值能保持几十微法。可是这个材料受溫度的影响和直流电偏压(直流电压会受到材料电极极化，使容量减少)危害很严重。下边大家看一下C0G、X5R、Y5V三种材料电容器受工作温度和直流电工作标准电压的危害。

能够看见C0G的容值基本上不随溫度转变，X5R可靠性稍弱些，而Y5V材料在60度时，容积变成允差值的50%。 能够看见50V抗压的Y5V高压瓷片电容在运用在30V时，容积仅有允差值的30%。 陶瓷电容有一个非常大的缺陷，便是易破碎。因此必须防止磕磕碰碰，尽可能避开线路板易产生变形的地区。 3、贴片电解电容不论是基本原理和组织都像一个充电电池。下边是贴片电解电容的內部结构示意图：

贴片电解电容有着体型小、容积大、速度更快、ESR劣等优点，价钱也非常高。决策贴片电解电容容积和抗压的是原料钽粉颗粒物的尺寸。颗粒物越细可以获得越大的电容器，而假如想获得比较大的抗压就必须偏厚的Ta2O5，这就需要应用颗粒物大点的钽粉。因此容积同样要想得到抗压高而又容积大的贴片电解电容难度系数很大。贴片电解电容需引发特别注意的另一个地区是:贴片电解电容很容易穿透而呈短路故障特点，抗浪涌保护器能力差。很可能因为一个大的一瞬间电流量造成电容器损坏而产生短路故障。这在应用超大型容积贴片电解电容时要考虑到(例如1000uF贴片电解电容)。 从里面可以认识到不一样的电容器有不一样的运用场所，并非价钱越高越好。 下边讲一下电源电路中电容的作用 在电源电路运用中，电容器适用于过滤(filter)和退耦/旁通(decoupling/bypass)。 过滤关键指滤掉外界噪音，而退耦/旁通(一种，以旁通的方式做到退耦实际效果，之后用“退耦”替代)是减少部分电源电路对外开放的噪音影响。很多人很容易把二者拼错。下边大家看一个电源电路构造：

图内开关电源电路为A和B配电。电流量经C1后再通过一段PCB布线(暂等效电路为一个电感器，具体用无线电波基础理论剖析这类等效电路是不正确的，但为便捷了解，仍选用这类等效电路方法。)分离双路各自提供A和B。电源开关开关电源出去的谐波失真较为大，因此大家应用C1对开关电源开展过滤，为A和B给予平稳的工作电压。C1必须尽量的挨近开关电源置放。C2和C3均为旁路电容，起退耦功效。当A在某一瞬间必须一个挺大的电流量时，要是没有C2和C3，那麼会由于路线电感器的缘故A端工作电压会降低，而B直流电压一样受A直流电压危害而减少，因此部分电源电路A的电流量转变引发了部分电源电路B的电源电压，进而对B电源电路的数据信号造成危害。一样，B的电流量转变也会对A产生影响。这就是“共路藕合影响”。 提升了C2后，部分电源电路再必须一个一瞬间的大工作电流的情况下，电容器C2可以为A临时给予电流量，即使共路一部分电感器存有，A直流电压不容易降低过多。对B的危害也会减少许多。因此根据电流量旁通具有了退耦的功效。 一般过滤包括应用大空间电容器，对速率规定并不是迅速，但对电容器值达到比较大。一般用电解电容器。浪涌电压较小的情形下，应用贴片电解电容替换电解电容器实际效果会更好一些。从上边的事例我们可以了解，做为退耦的电容器，必不可少有迅速的顾客才能够达到效果。假如图内的整体电源电路A就是一个集成ic得话，那麼退耦电容器要用高压瓷片电容，并且电容器尽量挨近集成ic的开关电源管脚。而假如“部分电源电路A”就是指一个功能得话，可以用高压瓷片电容，假如容积不足还可以用贴片电解电容或电解电容器(前提条件是系统架构中各集成ic都要了退耦可控硅—高压瓷片电容)。 耦合电容的容积并不是都能够从开关电源芯片的数据信息指南里看到计算方法。假如低通滤波器同时应用电解电容器、贴片电解电容和高压瓷片电容得话，把电容放的离电源近期，那样能维护贴片电解电容。高压瓷片电容积极参与贴片电解电容后边。那样可以得到较好的过滤实际效果。

退耦电容器必须达到2个规定，一个是容积要求，另一个是ESR要求。换句话说一个0.1uF的电容器退耦实际效果或许比不上2个0.01uF电容器效果非常的好。并且，0.01uF电容器在较高频率段有更低的特性阻抗，在这种频率段内假如一个0.01uF电容器能做到容积要求，那麼它将比0.1uF电容器有着更强的退耦实际效果。 许多引脚较多的快速ic设计具体指导指南会得出电源电路对退耦电容器的规定，例如一款500多脚的BGA封装形式规定3.3V开关电源最少有30个高压瓷片电容，还需要有几个大电容器，总容积要200uF以上…

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