电源设计中的去耦电容深入理解及应用实例

原创面包板社区 2023-05-09 20:03

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很多新手设计电路，通常会觉得电源的设计很简单，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。

因为如此，电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。相反，电源虽然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。

当然，电源可以聊的地方非常多。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

因此，本文不会展开聊，只是关注一个小细节，就是电源中的退耦电容。

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。

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，有铝电解电容，瓷片电容和钽电容等。

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。

作者：启芯硬件

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