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电源设计中的电容应用实例,这个太有用了!

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 楼主 | 2020-3-26 23:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 无敌小璐璐 于 2020-3-26 23:04 编辑

电源,往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的一个环节。其实,作为一款优秀的设计,电源设计应当是很重要的,因为它在很大程度上影响了整个系统的性能和成本。但今天,我们只介绍一下电路板电源设计中的电容使用情况,而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,乍一看似乎搞得很高深,但未必有能力为自己的系统提供一套廉价可靠的电源方案。这也是我们国产电子产品功能丰富而性能差的一个主要原因,根源是研发风气吧,大多研发工程师毛燥、不踏实;同时,公司为了短期效益也只求功能丰富了,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。

【1】

接下来,言归正转,先跟大家介绍一下电容。

大家对电容的概念似乎还停留在理想的电容阶段,一般认为电容就是一个C,却不知道电容还有很多重要的参数,同时也不知道一个1uF的瓷片电容和一个1uF的铝电解电容有什么不同?

实际上,电容可以等效成下面这个电路形式:

1.png

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。但有一点需要注意,那就是电容值C是会随着环境而发生改变的。

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,所以可以不用考虑。但当频率较高时,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,由此可以算一下C和ESL的谐振频率为10MHz左右。当频率高于10MHz时,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,而这个电阻就是ESR。因为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。

【2】

下面,我们看一下X7R材质瓷片电容的频率特性。

2.webp.jpg

当然,电容相关的参数还有很多,但设计中最重要的还是C和ESR。

【3】

接下来,简单介绍一下我们常用的三种电容:铝电解电容、瓷片电容、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。这是一个化学原理,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。

一般铝电容的电解液会逐渐挥发,导致电容减小甚至失效,随着温度升高,挥发速度加快。温度每升高10℃,电解电容的寿命就会减半。如果电容在室温27℃时还能使用10000小时的话,那么57℃的环境下就只能使用1250小时了。所以,铝电解电容尽量不要太靠近热源。

瓷片电容: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,也呈现出很大的差异。

性能最好的是C0G材质的电容,温度系数小,但材质介电常数小,所以容值不可能做太大。

性能最差的是Z5U/Y5V材质,介电常数较大,所以容值能做到几十微法,但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)影响十分严重。

下面,我们看一下C0G、X5R、Y5V三种材质电容受到环境温度和直流工作电压的影响。

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C0G的容值基本不随温度变化;X5R稳定性稍差一些;Y5V材质在60℃时,容量变为标称值的50%。

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从上图可以看到,50V耐压的Y5V瓷片电容当应用在30V时,容量只有标称值的30%。陶瓷电容有一个很大的缺点,那就是易碎,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:钽电容无论是原理,还是结构,都像一个电池。

6.webp.jpg
(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,但价格也相对较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小,往往颗粒越细,便可以得到越大的电容;而如果想要得到较大的耐压,就需要较厚的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。

钽电容需要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,因此在使用超大容量钽电容时必须注意(比如1000uF钽电容)。

从上述可以了解到,不同的电容具有不同的应用场合,并不是价格越高就越好。

【4】

最后,讲一下电源设计中电容的作用。

在电源设计应用中,电容主要用于滤波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。其中,滤波主要指滤除外来噪声;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。

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在上图中,开关电源为A和B供电。电流经C1后,再经过一段PCB走线(暂等效为一个电感,实际用电磁波理论分析这种等效是有误的,但为方便理解,仍采用这种等效方式)分开两路分别供给A和B。开关电源出来的纹波较大,于是我们使用C1对电源进行滤波,为A和B提供稳定的电压。其中,C1需要尽可能地靠近电源放置;C2和C3均为旁路电容,起着退耦作用。

当A在某一瞬间需要一个很大的电流时,如果没有C2和C3,那么就会因为线路电感的原因,使A端的电压变低,同时B端电压也会受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”。

当增加了C2后,局部电路再需要一个瞬间的大电流时,电容C2就可以为A暂时提供电流,即使共路部分电感存在,A端电压也不会下降得太多,且对B的影响也会减小很多。于是,通过电流旁路就起到了退耦的作用。

一般滤波主要使用大容量电容,对速度要求不是很快,但对电容值却要求较大,通常使用铝电解电容。在浪涌电流较小的情况下,使用钽电容代替铝电解电容的效果会好一些。

从上面的例子可以得出,作为退耦的电容,必需具有很快的响应速度才能达到效果。如果图中的局部电路A是指一个芯片的话,那么退耦电容就要用瓷片电容,而且电容尽可能地靠近芯片的电源引脚。

然而,如果“局部电路A”是指一个功能模块,则可以使用瓷片电容。如果容量不够的话,也可以使用钽电容或铝电解电容(前提是在功能模块中,各芯片都有退耦电容——瓷片电容)。

滤波电容的容量往往可以从开关电源芯片的数据手册里找到计算公式,如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容,那么把电解电容放得离开关电源最近,才能保护钽电容。而瓷片电容放在钽电容后面,这样可以获得最好的滤波效果。

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退耦电容需要满足两个要求,即容量需求和ESR需求。也就是说,一个0.1uF的电容退耦效果也许不如两个0.01uF电容效果好。而且,0.01uF电容在较高频段具有更低的阻抗,在这些频段内,如果一个0.01uF电容能达到容量需求,那么它将比0.1uF电容拥有更好的退耦效果。

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| 2020-3-27 10:18 | 显示全部楼层
感谢分享,学习了。

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| 2020-3-27 21:59 | 显示全部楼层
受教了

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