電源往往是我們在電路設(shè)計過程中最容易忽略的環(huán)節(jié),。其實,，作為一款優(yōu)秀的設(shè)計,，電源設(shè)計應(yīng)當(dāng)是很重要的，它很大程度影響了整個系統(tǒng)的性能和成本,。

這里,，只介紹一下電路板電源設(shè)計中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)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(tǒng)提供一套廉價可靠的電源方案。這也是我們國產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個主要原因,，根源是研發(fā)風(fēng)氣吧,，大多研發(fā)工程師毛燥、不踏實,；而公司為求短期效益也只求功能豐富,，只管今天殺雞飽餐一頓，不管明天還有沒有蛋吃,，“路有餓死骨”也不值得可惜,。

言歸正轉(zhuǎn)，先跟大家介紹一下電容,。

大家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(shù),，也不知道一個 1uF 的瓷片電容和一個 1uF 的鋁電解電容有什么不同,。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(huán)境不同,。但有一點需注意,，電容值 C 本身是會隨環(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)用時感抗較小，所以可以不考慮,。當(dāng)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(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,。無論哪種電容都會有一個等效串聯(lián)電阻，當(dāng)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(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,，設(shè)計中最重要的還是 C 和 ESR,。

下面簡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),，電容對信號的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動速度限制，一般都應(yīng)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(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，電解電容的壽命會減半,。如果電容在室溫 27 度時能使用 10000 小時的話,，57 度的環(huán)境下只能使用 1250 小時。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 的場合,。不過,，瓷片電容因為介質(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（直流電壓會致使材質(zhì)極化，使電容量減?。┯绊懞車乐?。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,，容量變?yōu)闃朔Q值的 50%,。

可以看到 50V 耐壓的 Y5V 瓷片電容在應(yīng)用在 30V 時，容量只有標稱值的 30%,。陶瓷電容有一個很大的缺點,，就是易碎,。所以需要避免磕碰,，盡量遠離電路板易發(fā)生形變的地方。

3）鉭電容無論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個電池,。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,，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,。很可能由于一個大的瞬間電流導(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)用場合,，并不是價格越高越好,。

下面講一下電源設(shè)計中電容的作用。

在電源設(shè)計應(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噪聲，而退耦 / 旁路（一種,，以旁路的形式達到退耦效果,，以后用“退耦”代替）是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混,。下面我們看一個電路結(jié)構(gòu)：

圖中開關(guān)電源為 A 和 B 供電,。電流經(jīng) C1 后再經(jīng)過一段 PCB 走線（暫等效為一個電感，實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。）分開兩路分別供給 A 和 B。開關(guān)電源出來的紋波比較大,，于是我們使用 C1 對電源進行濾波,，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很大的電流時,，如果沒有 C2 和 C3,，那么會因為線路電感的原因 A 端的電壓會變低，而 B 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 B 電路的信號產(chǎn)生影響。同樣,，B 的電流變化也會對 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瞬間的大電流的時候,，電容 C2 可以為 A 暫時提供電流，即使共路部分電感存在,，A 端電壓不會下降太多,。對 B 的影響也會減小很多。于是通過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,。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)速度才能達到效果,。如果圖中的局部電路 A 是指一個芯片的話,，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關(guān)電源芯片的數(shù)據(jù)手冊里找到計算公式,。如果濾波電路同時使用電解電容,、鉭電容和瓷片電容的話，把電解電容放的離開關(guān)電源最近,，這樣能保護鉭電容,。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(nèi)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。

很多管腳較多的高速芯片設(shè)計指導(dǎo)手冊會給出電源設(shè)計對退耦電容的要求,，比如一款 500 多腳的 BGA 封裝要求 3.3V 電源至少有 30 個瓷片電容，還要有幾個大電容,，總?cè)萘恳?200uF 以上…