設(shè)計(jì)必讀:詳解電源設(shè)計(jì)中不可或缺的電容
發(fā)布時(shí)間:2014-06-20 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì),電源設(shè)計(jì)很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。這里為大家詳談一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容,它往往是電源設(shè)計(jì)中最容易被忽略的地方。電源設(shè)計(jì)中的電容沒(méi)處理好,會(huì)造成性能差勁。所以搞透電源設(shè)計(jì)中的電容是不可或缺的。
電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過(guò)程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實(shí),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。
這里,只介紹一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)計(jì)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(tǒng)提供一套廉價(jià)可靠的電源方案。這也是我們國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個(gè)主要原因。
1 電容的重要參數(shù)
好了,言歸正轉(zhuǎn),先跟大家介紹一下電容。首先對(duì)電容品牌有一個(gè)大概的了解,市面上的國(guó)產(chǎn)電容有三環(huán)電容、風(fēng)華電容等品牌,臺(tái)企龍頭YAGEO電容(即國(guó)巨電容),以及國(guó)外進(jìn)口品牌如TDK電容、SAMSUNG電容和MURATA電容都是比較知名的品牌。
大家對(duì)電容的概念大多還停留在理想的電容階段,一般認(rèn)為電容就是一個(gè)C。卻不知道電容還有很多重要的參數(shù),也不知道一個(gè)1uF的瓷片電容和一個(gè)1uF的鋁電解電容有什么不同。
實(shí)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(cè)到的,不過(guò)也可有很多電容測(cè)量的環(huán)境不同。但有一點(diǎn)需注意,電容值C本身是會(huì)隨環(huán)境發(fā)生改變的。
ESL:電容等效串聯(lián)電感。電容的管腳是存在電感的。在低頻應(yīng)用時(shí)感抗較小,所以可以不考慮。當(dāng)頻率較高時(shí),就要考慮這個(gè)電感了。舉個(gè)例子,一個(gè) 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(dāng)頻率高于 10MHz,則電容體現(xiàn)為電感特性。
ESR:電容等效串聯(lián)電阻。無(wú)論哪種電容都會(huì)有一個(gè)等效串聯(lián)電阻,當(dāng)電容工作在諧振點(diǎn)頻率時(shí),電容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一個(gè)電阻,這個(gè)電阻就是ESR。因電容結(jié)構(gòu)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。
下面我們看一些X7R材質(zhì)瓷片電容的頻率特性:
當(dāng)然,電容相關(guān)的參數(shù)還有很多,不過(guò),設(shè)計(jì)中最重要的還是C和ESR。
[page]
下面簡(jiǎn)單介紹一下我們常用到的三種電容:鋁電解電容,瓷片電容和鉭電容。
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(zhì)液制成的,其原理是化學(xué)原理,電容充放電靠的是化學(xué)反應(yīng),電容對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動(dòng)速度限制,一般都應(yīng)用在頻率較低(1M以下)的濾波場(chǎng)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(huì)逐漸揮發(fā)而導(dǎo)致電容減小甚至失效,隨溫度升高揮發(fā)速度加快。溫度每升高10度,電解電容的壽命會(huì)減半。如果電容在室溫27度時(shí)能使用10000小時(shí)的話,57 度的環(huán)境下只能使用1250小時(shí)。所以鋁電解電容盡量不要太靠近熱源。
2)瓷片電容存放電靠的是物理反應(yīng),因而具有很高的響應(yīng)速度,可以應(yīng)用到上G的場(chǎng)合。不過(guò),瓷片電容因?yàn)榻橘|(zhì)不同,也呈現(xiàn)很大的差異。性能最好的是 C0G材質(zhì)的電容,溫度系數(shù)小,不過(guò)材質(zhì)介電常數(shù)小,所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質(zhì),這種材質(zhì)介電常數(shù)大,所以容值能做到幾十微法。但是這種材質(zhì)受溫度影響和直流偏壓(直流電壓會(huì)致使材質(zhì)極化,使電容量減小)影響很嚴(yán)重。下面我們看一下C0G、X5R、Y5V三種材質(zhì)電容受環(huán)境溫度和直流工作電壓的影響。
可以看到C0G的容值基本不隨溫度變化,X5R穩(wěn)定性稍差些,而Y5V材質(zhì)在60度時(shí),容量變?yōu)闃?biāo)稱值的50%。
可以看到50V耐壓的Y5V瓷片電容在應(yīng)用在30V時(shí),容量只有標(biāo)稱值的30%。
陶瓷電容有一個(gè)很大的缺點(diǎn),就是易碎。所以需要避免磕碰,盡量遠(yuǎn)離電路板易發(fā)生形變的地方。
3)鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)電池。下面是鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖:
鉭電容擁有體積小、容量大、速度快、ESR低等優(yōu)勢(shì),價(jià)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(xì)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(gè)地方是:鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性,抗浪涌能力差。很可能由于一個(gè)大的瞬間電流導(dǎo)致電容燒毀而形成短路。這在使用超大容量鉭電容時(shí)需考慮 (比如1000uF鉭電容)。
從上面可以了解到不同的電容有不同的應(yīng)用場(chǎng)合,并不是價(jià)格越高越好。
2 電源設(shè)計(jì)中電容的作用
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)。
濾波主要指濾除外來(lái)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):
圖中開(kāi)關(guān)電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過(guò)一段PCB走線(暫等效為一個(gè)電感,實(shí)際用電磁波理論分析這種等效是有誤的,但為方便理解,仍采用這種等效方式。)分開(kāi)兩路分別供給A和B。開(kāi)關(guān)電源出來(lái)的紋波比較大,于是我們使用C1對(duì)電源進(jìn)行濾波,為A和B提供穩(wěn)定的電壓。C1需要盡可能的靠近電源放置。C2和C3均為旁路電容,起退耦作用。當(dāng)A在某一瞬間需要一個(gè)很大的電流時(shí),如果沒(méi)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(niǎo) 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(guò)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。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(huì)更好一些。從上面的例子我們可以知道,作為退耦的電容,必需有很快的響應(yīng)速度才能達(dá)到效果。如果圖中的局部電路A是指一個(gè)芯片的話,那么退耦電容要用瓷片電容,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開(kāi)關(guān)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(kāi)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(shuō)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。
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
- 一文看懂電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合概念
- 意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器,成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
單向可控硅
刀開(kāi)關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖