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。



定期以通俗易懂的方式分享嵌入式知识,关注公众号,加星标,每天进步一点点。


声明:

本号原创、转载的文章、图片等版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。

关注、点赞、在看、转发,支持优质内容! 

评论
  • 前言在快速迭代的科技浪潮中,汽车电子技术的飞速发展不仅重塑了行业的面貌,也对测试工具提出了更高的挑战与要求。作为汽车电子测试领域的先锋,TPT软件始终致力于为用户提供高效、精准、可靠的测试解决方案。新思科技出品的TPT软件迎来了又一次重大更新,最新版本TPT 2024.12将进一步满足汽车行业日益增长的测试需求,推动汽车电子技术的持续革新。基于当前汽车客户的实际需求与痛点,结合最新的技术趋势,对TPT软件进行了全面的优化与升级。从模型故障注入测试到服务器函数替代C代码函数,从更准确的需求链接到P
    北汇信息 2025-03-13 14:43 37浏览
  • DeepSeek自成立之初就散发着大胆创新的气息。明明核心开发团队只有一百多人,却能以惊人的效率实现许多大厂望尘莫及的技术成果,原因不仅在于资金或硬件,而是在于扁平架构携手塑造的蜂窝创新生态。创办人梁文锋多次强调,与其与大厂竞争一时的人才风潮,不如全力培养自家的优质员工,形成不可替代的内部生态。正因这样,他对DeepSeek内部人才体系有着一套别具一格的见解。他十分重视中式教育价值,因而DeepSeek团队几乎清一色都是中国式学霸。许多人来自北大清华,或者在各种数据比赛中多次获奖,可谓百里挑一。
    优思学院 2025-03-13 12:15 47浏览
  • 一、行业背景与需求痛点智能电子指纹锁作为智能家居的核心入口,近年来市场规模持续增长,用户对产品的功能性、安全性和设计紧凑性提出更高要求:极致空间利用率:锁体内部PCB空间有限,需高度集成化设计。语音交互需求:操作引导(如指纹识别状态、低电量提醒)、安全告警(防撬、试错报警)等语音反馈。智能化扩展能力:集成传感器以增强安全性(如温度监测、防撬检测)和用户体验。成本与可靠性平衡:在复杂环境下确保低功耗、高稳定性,同时控制硬件成本。WTV380-P(QFN32)语音芯片凭借4mm×4mm超小封装、多传
    广州唯创电子 2025-03-13 09:24 41浏览
  • 一、行业背景与用户需求随着健康消费升级,智能眼部按摩仪逐渐成为缓解眼疲劳、改善睡眠的热门产品。用户对这类设备的需求不再局限于基础按摩功能,而是追求更智能化、人性化的体验,例如:语音交互:实时反馈按摩模式、操作提示、安全提醒。环境感知:通过传感器检测佩戴状态、温度、压力等,提升安全性与舒适度。低功耗长续航:适应便携场景,延长设备使用时间。高性价比方案:在控制成本的同时实现功能多样化。针对这些需求,WTV380-8S语音芯片凭借其高性能、多传感器扩展能力及超高性价比,成为眼部按摩仪智能化升级的理想选
    广州唯创电子 2025-03-13 09:26 33浏览
  • 在追求更快、更稳的无线通信路上,传统射频架构深陷带宽-功耗-成本的“不可能三角”:带宽每翻倍,系统复杂度与功耗增幅远超线性增长。传统方案通过“分立式功放+多级变频链路+JESD204B 接口”的组合试图平衡性能与成本,却难以满足实时性严苛的超大规模 MIMO 通信等场景需求。在此背景下,AXW49 射频开发板以“直采+异构”重构射频范式:基于 AMD Zynq UltraScale+™ RFSoC Gen3XCZU49DR 芯片的 16 通道 14 位 2.5GSPS ADC 与 16
    ALINX 2025-03-13 09:27 32浏览
  • 2025年,科技浪潮汹涌澎湃的当下,智能数字化变革正进行得如火如荼,从去年二季度开始,触觉智能RK3562核心板上市以来,受到了火爆的关注,上百家客户选用了此方案,也获得了众多的好评与认可,为客户的降本增效提供了广阔的空间。随着原厂的更新,功能也迎来了一波重大的更新,无论是商业级(RK3562)还是工业级(RK3562J),都可支持NPU和2×CAN,不再二选一。我们触觉智能做了一个艰难又大胆的决定,为大家带来两大重磅福利,请继续往下看~福利一:RK3562核心板149元特惠再续,支持2×CAN
    Industio_触觉智能 2025-03-12 14:45 26浏览
  •        随着人工智能算力集群的爆发式增长,以及5.5G/6G通信技术的演进,网络数据传输速率的需求正以每年30%的速度递增。万兆以太网(10G Base-T)作为支撑下一代数据中心、高端交换机的核心组件,其性能直接决定了网络设备的稳定性与效率。然而,万兆网络变压器的技术门槛极高:回波损耗需低于-20dB(比千兆产品严格30%),耐压值需突破1500V(传统产品仅为1000V),且需在高频信号下抑制电磁干扰。全球仅有6家企业具备规模化量产能力,而美信科
    中科领创 2025-03-13 11:24 40浏览
  • 北京时间3月11日,国内领先的二手消费电子产品交易和服务平台万物新生(爱回收)集团(纽交所股票代码:RERE)发布2024财年第四季度和全年业绩报告。财报显示,2024年第四季度万物新生集团总收入48.5亿元,超出业绩指引,同比增长25.2%。单季non-GAAP经营利润1.3亿元(non-GAAP口径,即经调整口径,均不含员工股权激励费用、无形资产摊销及因收购产生的递延成本,下同),并汇报创历史新高的GAAP净利润7742万元,同比增长近27倍。总览全年,万物新生总收入同比增长25.9%达到1
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:23 47浏览
  • 文/杜杰编辑/cc孙聪颖‍主打影像功能的小米15 Ultra手机,成为2025开年的第一款旗舰机型。从发布节奏上来看,小米历代Ultra机型,几乎都选择在开年发布,远远早于其他厂商秋季主力机型的发布时间。这毫无疑问会掀起“Ultra旗舰大战”,今年影像手机将再次被卷上新高度。无意臆断小米是否有意“领跑”一场“军备竞赛”,但各种复杂的情绪难以掩盖。岁岁年年机不同,但将2-3年内记忆中那些关于旗舰机的发布会拼凑起来,会发现,包括小米在内,旗舰机的革新点,除了摄影参数的不同,似乎没什么明显变化。贵为旗
    华尔街科技眼 2025-03-13 12:30 60浏览
  • 本文介绍OpenHarmony4.1系统开发板,出现打不开WiFi和蓝牙的问题排查和解决方法。触觉智能Purple Pi OH鸿蒙开发板演示,搭载了瑞芯微RK3566四核处理器,1TOPS算力NPU;Laval鸿蒙社区推荐并通过了开源鸿蒙XTS认证,成功适配OpenHarmony3.2、4.0、4.1、5.0 Release系统,SDK源码全开放!WiFi打不开缺少WiFi固件在WiFi打不开时我们可以通过使用串口工具查看WiFi打印信息:这条log主要说明了打开固件文件失败,说明了在/vend
    Industio_触觉智能 2025-03-12 14:32 53浏览
  • 引言汽车行业正经历一场巨变。随着电动汽车、高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶技术的普及,电子元件面临的要求从未如此严格。在这些复杂系统的核心,存在着一个看似简单却至关重要的元件——精密电阻。贞光科技代理品牌光颉科技的电阻选型过程,特别是在精度要求高达 0.01% 的薄膜和厚膜技术之间的选择,已成为全球汽车工程师的关键决策点。当几毫欧姆的差异可能影响传感器的灵敏度或控制系统的精确性时,选择正确的电阻不仅仅是满足规格的问题——它关系到车辆在极端条件下的安全性、可靠性和性能。在这份全面指南中,我们
    贞光科技 2025-03-12 17:25 92浏览
  • 本文介绍Android系统主板应用配置默认获取管理所有文件权限方法,基于触觉智能SBC3588行业主板演示,搭载了瑞芯微RK3588芯片,八核处理器,6T高算力NPU;音视频接口、通信接口等各类接口一应俱全,支持安卓Android、Linux、开源鸿蒙OpenHarmony、银河麒麟Kylin等操作系统。配置前提在配置前,建议先将应用配置成系统应用,不然配置后系统每次重启后都会弹窗提示是否获取权限。应用配置成系统应用,可参考以下链接方法:瑞芯微开发板/主板Android系统APK签名文件使用方法
    Industio_触觉智能 2025-03-12 14:34 54浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖作为全球AI领域的黑马,DeepSeek成功搅乱了中国AI大模型市场的格局。科技大厂们选择合作,接入其模型疯抢用户;而AI独角兽们则陷入两难境地,上演了“Do Or Die”的抉择。其中,有着“大模型六小虎”之称的六家AI独角兽公司(智谱AI、百川智能、月之暗面、MiniMax、阶跃星辰及零一万物),纷纷开始转型:2025年伊始,李开复的零一万物宣布转型,不再追逐超大模型,而是聚焦AI商业化应用;紧接着,消息称百川智能放弃B端金融市场,聚焦AI医疗;月之暗面开始削减K
    华尔街科技眼 2025-03-12 17:37 145浏览
  • 曾经听过一个“隐形经理”的故事:有家公司,新人进来后,会惊讶地发现老板几乎从不在办公室。可大家依旧各司其职,还能在关键时刻自发协作,把项目完成得滴水不漏。新员工起初以为老板是“放羊式”管理,结果去茶水间和老员工聊过才发现,这位看似“隐形”的管理者其实“无处不在”,他提前铺好了企业文化、制度和激励机制,让一切运行自如。我的观点很简单:管理者的最高境界就是——“无为而治”。也就是说,你的存在感不需要每天都凸显,但你的思路、愿景、机制早已渗透到组织血液里。为什么呢?因为真正高明的管理,不在于事必躬亲,
    优思学院 2025-03-12 18:24 81浏览
  • 在海洋监测领域,基于无人艇能够实现高效、实时、自动化的海洋数据采集,从而为海洋环境保护、资源开发等提供有力支持。其中,无人艇的控制算法训练往往需要大量高质量的数据支持。然而,海洋数据采集也面临数据噪声和误差、数据融合与协同和复杂海洋环境适应等诸多挑战,制约着无人艇技术的发展。针对这些挑战,我们探索并推出一套基于多传感器融合的海洋数据采集系统,能够高效地采集和处理海洋环境中的多维度数据,为无人艇的自主航行和控制算法训练提供高质量的数据支持。一、方案架构无人艇要在复杂海上环境中实现自主导航,尤其是完
    康谋 2025-03-13 09:53 44浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦