电源设计中一定不能忽略电容的存在

在电源电路设计中我们往往忽略了电容的存在，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)。