电源设计中的去耦电容深入理解及应用实例,实用!

嵌入式电子 2023-04-26 17:04
很多人设计电路,通常会觉得 电源 的设计很简单,觉得不就是线性电源和开关电源吗?找个参考设计抄一下就行了。

因此,电源常常是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。虽然,电源是设计中非常基础的部分,但是,作为一款优秀的设计,电源设计应当是非常重要的,它很大程度影响了整个系统的稳定性,以及性能和成本。

下面这张图是我设计的一个对照图。人体器官对应常见电路的功能模块,我觉得这样比较形象。比如,大脑就对应常用的电路系统中的CPU部分,肚子呢?吃东西的,就相当于存储部分。而我们的心脏不停的跳动,泵血,当然就相当于电路系统中的电源了。


其中,电源可以分析的地方非常多。比如我们要设计一个开关电源就需要搞懂以下这些知识:

1)认识组成开关电源的所有元器件;
2)掌握各种元器件的电气性能和电路符号;
3)会自己制作各种磁性元件;
4)会正确装配电源中的各个部分;
5)了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法;
6)会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试,优化和折衷;
7)会对获得的实验结果进行分析,并进行总结;
8)会从不同的渠道不断地学习电源知识.

退耦电容的工作逻辑

由于电源内容太多,本文只是关注一个小细节----电源中的退耦电容。
退耦电容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提供一套廉价可靠的电源方案。退耦电容是电源电路不可或缺的部分,我们从退耦电容一个作用点说起---退耦电容的小池塘作用。

为简单清晰的说明这个问题,我做了下图。左边是水库,右边是小池塘和玉米庄稼地。工作逻辑是这样的:虽然直接用水库里的水灌溉玉米地也是可以的,但是由于距离太远,远水解不了近渴,所以庄稼地很容易干死。因此,通常情况下,在玉米地附近,会配套的开发出,小池塘,用作零时的水源供应。

详细来说,当玉米地需要灌溉时,从旁边的小池塘中,可以直接取水,保证玉米的稳定生长。而小池塘中,如果缺水,可以从水库中调水过来,因此池塘是有存储功能的。这样就可以保证整个系统的稳定工作。


对照来说,水库就相当于式电路系统中的电源供应模块,小池塘就相当于是退耦电容,而玉米地就是工作的芯片,处理器等。芯片稳定工作,需要稳定的供电,但是如果芯片的电压需求波动时,电源来不及及时处理,此时,退耦电容就可以充当临时电池,来补充需要的电源。以保证系统的稳定工作。

电容的分析

很多人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。却不知道电容还有很多重要的参数。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。

常见的电容

常见的电容,有铝电解电容,瓷片电容和钽电容等。

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主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。


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。


3)钽电容无论是原理和结构都像一个电池。

首先,要说的是钽电容其实是电解电容的一种,这个很多人都不知道。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,而如果想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。因此,虽然钽电容有很多优点,但由于某些场合容易被击穿,因此应用的时候,一定要多加考虑。很多时候,我们避免用钽电容。


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)。

滤波主要指滤除外来噪声
而退耦/旁路是减小局部电路对外的噪声干扰。

一般滤波主要使用大容量电容,对速度要求不是很快,但对电容值要求较大。一般使用铝电解电容。

浪涌电流较小的情况下,使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。一般来说,作为退耦的电容,必须有很快的响应速度才能达到效果。


另外,退耦电容需要满足两个要求,一个是容量需求,另一个是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。通常,电源的滤波中,会考虑将不同容值得得电容并联起来,以形成一个低阻抗的坑,达到更好的滤波效果,让系统工作更稳定。



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