電源設計中的去耦電容深入理解及應用實例，實用！

電子芯期天 2023-06-17 07:30

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很多人設計電路，通常會覺得電源的設計很簡單，覺得不就是線性電源和開關電源嗎?找個參考設計抄一下就行了。

因此，電源常常是我們在電路設計過程中最容易忽略的環節。雖然，電源是設計中非常基礎的部分，但是，作為一款優秀的設計，電源設計應當是非常重要的，它很大程度影響了整個系統的穩定性，以及性能和成本。

下面這張圖是我設計的一個對照圖。人體器官對應常見電路的功能模塊，我覺得這樣比較形象。比如，大腦就對應常用的電路系統中的CPU部分，肚子呢?吃東西的，就相當于存儲部分。而我們的心臟不停的跳動，泵血，當然就相當于電路系統中的電源了。

其中，電源可以分析的地方非常多。比如我們要設計一個開關電源就需要搞懂以下這些知識：

1)認識組成開關電源的所有元器件;

2)掌握各種元器件的電氣性能和電路符號;

3)會自己制作各種磁性元件;

4)會正確裝配電源中的各個部分;

5)了解電源各項指標的意義并掌握如何測試的方法;

6)會使用儀器對裝配后的電源進行正確的調試,優化和折衷;

7)會對獲得的實驗結果進行分析,并進行總結;

8)會從不同的渠道不斷地學習電源知識.

退耦電容的工作邏輯

由于電源內容太多，本文只是關注一個小細節----電源中的退耦電容。

退耦電容往往又是電源設計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，但未必有能力為自己的系統提供一套廉價可靠的電源方案。退耦電容是電源電路不可或缺的部分，我們從退耦電容一個作用點說起---退耦電容的小池塘作用。

為簡單清晰的說明這個問題，我做了下圖。左邊是水庫，右邊是小池塘和玉米莊稼地。工作邏輯是這樣的：雖然直接用水庫里的水灌溉玉米地也是可以的，但是由于距離太遠，遠水解不了近渴，所以莊稼地很容易干死。因此，通常情況下，在玉米地附近，會配套的開發出，小池塘，用作零時的水源供應。

詳細來說，當玉米地需要灌溉時，從旁邊的小池塘中，可以直接取水，保證玉米的穩定生長。而小池塘中，如果缺水，可以從水庫中調水過來，因此池塘是有存儲功能的。這樣就可以保證整個系統的穩定工作。

對照來說，水庫就相當于式電路系統中的電源供應模塊，小池塘就相當于是退耦電容，而玉米地就是工作的芯片，處理器等。芯片穩定工作，需要穩定的供電，但是如果芯片的電壓需求波動時，電源來不及及時處理，此時，退耦電容就可以充當臨時電池，來補充需要的電源。以保證系統的穩定工作。

電容的分析

很多人對電容的概念大多還停留在理想的電容階段，一般認為電容就是一個C。卻不知道電容還有很多重要的參數。實際的電容可以等效成下面的電路形式：

C：電容容值。一般是指在1kHz，1V 等效AC電壓，直流偏壓為0V情況下測到的，不過也可有很多電容測量的環境不同。

但有一點需注意，電容值C本身是會隨環境發生改變的。

ESL：電容等效串聯電感。電容的管腳是存在電感的。在低頻應用時感抗較小，所以可以不考慮。當頻率較高時，就要考慮這個電感了。

舉個例子：一個0805封裝的0.1uF貼片電容，每管腳電感1.2nH，那么ESL是2.4nH，可以算一下C和ESL的諧振頻率為10MHz左右，當頻率高于10MHz，則電容體現為電感特性。

ESR：電容等效串聯電阻。無論哪種電容都會有一個等效串聯電阻，當電容工作在諧振點頻率時，電容的容抗和感抗大小相等，于是等效成一個電阻，這個電阻就是ESR。因電容結構不同而有很大差異。鋁電解電容ESR一般由幾百毫歐到幾歐，瓷片電容一般為幾十毫歐，鉭電容介于鋁電解電容和瓷片電容之間。

常見的電容

常見的電容，有鋁電解電容，瓷片電容和鉭電容等。

1) 鋁電容是由鋁箔刻槽氧化后再夾絕緣層卷制，然后再浸電解質液制成的，其原理是化學原理，電容充放電靠的是化學反應，電容對信號的響應速度受電解質中帶電離子的移動速度限制，一般都應用在頻率較低(1M 以下)的濾波場合，ESR主要為鋁萡電阻和電解液等效電阻的和，值比較大。鋁電容的電解液會逐漸揮發而導致電容減小甚至失效，隨溫度升高揮發速度加快。

2)瓷片電容存放電靠的是物理反應，因而具有很高的響應速度，可以應用到上G的場合。不過，瓷片電容因為介質不同，也呈現很大的差異。性能最好的是C0G材質的電容，溫度系數小，不過材質介電常數小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質，這種材質介電常數大，所以容值能做到幾十微法。

3)鉭電容無論是原理和結構都像一個電池。

首先，要說的是鉭電容其實是電解電容的一種，這個很多人都不知道。鉭電容擁有體積小、容量大、速度快、ESR低等優勢，價格也比較高。決定鉭電容容量和耐壓的是原材料鉭粉顆粒的大小。顆粒越細可以得到越大的電容，而如果想得到較大的耐壓就需要較厚的Ta2O5，這就要求使用顆粒大些的鉭粉。所以體積相同要想獲得耐壓高而又容量大的鉭電容難度很大。鉭電容需引起注意的另一個地方是：鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。因此，雖然鉭電容有很多優點，但由于某些場合容易被擊穿，因此應用的時候，一定要多加考慮。很多時候，我們避免用鉭電容。

電源設計中電容的作用

在電源設計應用中，電容主要用于濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。

濾波主要指濾除外來噪聲

而退耦/旁路是減小局部電路對外的噪聲干擾。

一般濾波主要使用大容量電容，對速度要求不是很快，但對電容值要求較大。一般使用鋁電解電容。

浪涌電流較小的情況下，使用鉭電容代替鋁電解電容效果會更好一些。一般來說，作為退耦的電容，必須有很快的響應速度才能達到效果。

另外，退耦電容需要滿足兩個要求，一個是容量需求，另一個是ESR需求。

也就是說一個0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個0.01uF電容效果好。而且，0.01uF電容在較高頻段有更低的阻抗，在這些頻段內如果一個0.01uF電容能達到容量需求，那么它將比0.1uF電容擁有更好的退耦效果。通常，電源的濾波中，會考慮將不同容值得得電容并聯起來，以形成一個低阻抗的坑，達到更好的濾波效果，讓系統工作更穩定。