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电源设计中的电容应用实例

导读: 电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。其实,作为一款优秀的设计,电源设计应当是很重要的,它很大程度影响了整个系统的性能和成本。

  电源往往是我们在电路设计过程中最容易忽略的环节。其实,作为一款优秀的设计,电源设计应当是很重要的,它很大程度影响了整个系统的性能和成本。

  这里,只介绍一下电路板电源设计中的电容使用情况。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。这也是我们国产电子产品功能丰富而性能差的一个主要原因,根源是研发风气吧,大多研发工程师毛燥、不踏实;而公司为求短期效益也只求功能丰富,只管今天杀鸡饱餐一顿,不管明天还有没有蛋吃,“路有饿死骨”也不值得可惜。

  言归正转,先跟大家介绍一下电容。

  大家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,也不知道一个1uF的瓷片电容和一个1uF的铝电解电容有什么不同。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。

  下面我们看一些X7R材质瓷片电容的频率特性:

 

  

 

  当然,电容相关的参数还有很多,不过,设计中最重要的还是C和ESR。

  下面简单介绍一下我们常用到的三种电容:铝电解电容,瓷片电容和钽电容。

  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。温度每升高10度,电解电容的寿命会减半。如果电容在室温27 度时能使用10000小时的话,57度的环境下只能使用1250小时。所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。

  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。但是这种材质受温度影响和直流偏压(直流电压会致使材质极化,使电容量减小)影响很严重。下面我们看一下C0G、X5R、Y5V三种材质电容受环境温度和直流工作电压的影响。

 

  

  

 

  可以看到C0G的容值基本不随温度变化,X5R稳定性稍差些,而Y5V材质在60度时,容量变为标称值的50%。

 

  

 

  可以看到50V 耐压的Y5V 瓷片电容在应用在30V 时,容量只有标称值的30%。陶瓷电容有一个很大的缺点,就是易碎。所以需要避免磕碰,尽量远离电路板易发生形变的地方。

  3)钽电容无论是原理和结构都像一个电池。下面是钽电容的内部结构示意图:

 

  

 

  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。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容时需考虑(比如1000uF 钽电容)。

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