电路设计之电容的应用分析

lumingluming 2020-06-26 3625

电源设计应用

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背景：为统筹电路设计较全面的知识点，本人将在近期推出电路设计中各种常用器件与设计理念，如基本元器件电阻、电容、电感、二极管保护，存储器件SDRAM、FLASH，PCB设计工艺DCDC电源、PCB板布线设计工艺等，希望能为大家提供些许参考。

注：主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。以下介绍基于电容常用功能，详细介绍各功能应用。

电容特性：通交流阻直流，通高频阻低频！

电容在大家平时的电路设计中是不可缺少的，但是很多的人都会进入一个电容使用的误区，就是电容的容值越大越好，滤波效果越好。其实并不是这样的，简单的说，就是大容值电容滤低频噪声，小容值电容滤高频噪声。

电容的工作的实质是充电和放电的过程。以电容不存储任何电量为初始状态，大容值的电容在电路中达到与电路中的电压平衡需要充入的电荷量就要多，就需要更长的时间，低频噪声能够满足其时间上的要求，但如果放在高频率噪声的电路中，频率高，大容值电容的充放电反应不过来，达不到滤波的目的，这时候就要采用小容值的电容。小容值的电容，充放电时间短，能够满足滤波的目的。总之，滤波的频率随电容值的增大而减少。所以在使用时要根据自己的电路的需要选取合适的容值，达到想要的滤波目的，又减少了成本。

在电路中最常见到的电容使用方法是“去耦电容”和“旁路电容”。作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能方面电容的作用，下面分类详述之：

① 滤波

旁路电容

滤波是电容的作用中很重要的一部分。几乎所有的电源电路中都会用到。从理论上(即假设电容为纯电容)说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF 的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。

以上图为例：C5将滤除前一级U2输出中的低频成分、C7滤除其高频成分，C3、C4类似。

曾有网友将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。电容把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。注：滤波就是充电，放电的过程。

② 旁路

旁路电容

旁路电容一般接在信号端与地之间，主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。

旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB 板上的瞬态电流需求，一般在10 至470μF 范围内。若PCB 板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路被充电，并向器件进行放电。

注：为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致地电位抬高和噪声。

③ 去藕

去耦电容实际上是根据电容的使用的实际效果来命名的，一般接在电源线和地线之间，起作用主要有两方面：滤波作用和蓄能作用。

具体的作用结合以下几点来解释：

1、当电源引进电路时，电源的电压不是恒定的，是处在一个相对稳定的状态，其中带有很多的噪声，如果让这些噪声进入到电路中就会对电路造成影响，特别是对电压敏感的器件对电路电压的稳定性要求更高，以及有用到作为参考电压的一端，影响其精确性，所以加电容能能保证电路的线性关系。（简单的理解就是电压多了我就吸收，少了我就补充，保持在一个平衡的状态）

2、有源器件在开关时产生高频的开关噪声，将会沿着电源线传播，这时电容提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在电源线的传播，并将噪声接引到地。

3、在空间中存在很多的电磁波，往往会干扰到芯片工作的稳定性，芯片周围的去耦电容能够很好的滤除这些干扰，从另一方面说，高频电路中，导线产生的电感效应对电流的阻碍作用是很大的，会导致电流不足，如果器件在这时候刚好就需要足够的电流驱动，就不能及时供给，这时，去耦电容中储存的能量就能及时的补充这些不足，保证器件正常的工作。

注：在电路电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，就是称呼的不一样，旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源，这是他们的本质区别。

④ 储能

储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000uF之间的铝电解电容器(如EPCOS公司的 B43504或B43505)是较为常用的。根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：

① 耦合

举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

② 振荡/同步

包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。

③ 时间常数

这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时，电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公式描述：

i = (V/R)e-(t/CR)

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