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你用啥不好，非要用0.1uF電容？

時(shí)間：2020-09-29 14:25:46
關(guān)鍵字： 濾波    數(shù)字電路   
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[導(dǎo)讀]濾波電容在開(kāi)關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個(gè)工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問(wèn)題。我們?cè)陔娫礊V波電路上，可以看到各種各樣不同容值的電容，比如：100uF、10uF、100nF、10nF等。那么，這些參數(shù)是如何確定的?


濾波電容在開(kāi)關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個(gè)工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問(wèn)題。

我們?cè)陔娫礊V波電路上，可以看到各種各樣不同容值的電容，比如：100uF、10uF、100nF、10nF等，那么這些參數(shù)是如何確定的?

在50Hz工頻電路中，使用的是普通電解電容器，其脈動(dòng)電壓頻率僅為100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)。

為獲得更小的脈動(dòng)系數(shù)，所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)μF，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。

而開(kāi)關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo)。

衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性，要求在開(kāi)關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。

普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開(kāi)始呈現(xiàn)感性，無(wú)法滿足開(kāi)關(guān)電源的使用要求。

而開(kāi)關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。

電流從四端電容的一個(gè)正端流入，經(jīng)過(guò)電容內(nèi)部，再?gòu)牧硪粋€(gè)正端流向負(fù)載；從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入，再?gòu)牧硪粋€(gè)負(fù)端流向電源負(fù)端。

由于四端電容具有良好的高頻特性，為減小電壓的脈動(dòng)分量以及抑制開(kāi)關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，即將鋁箔分成較短的若干段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。

并且采用低電阻率的材料作為引出端子，提高了電容器承受大電流的能力。

數(shù)字電路要運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電源一定要”干凈“，并且能量補(bǔ)充一定要及時(shí)，也就是濾波去耦一定要好。

什么是濾波去耦，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在芯片不需要電流的時(shí)候存儲(chǔ)能量，在你需要電流的時(shí)候我又能及時(shí)的補(bǔ)充能量。

不要跟我說(shuō)這個(gè)職責(zé)不是DCDC、LDO的嗎？對(duì)，在低頻的時(shí)候它們可以搞定，但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。

先來(lái)看看電容，電容的作用簡(jiǎn)單的說(shuō)就是存儲(chǔ)電荷，我們都知道在電源中要加電容濾波，在每個(gè)芯片的電源腳放置一個(gè)0.1uF的電容去耦。

等等，怎么我看到有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么講究嗎？

要搞懂這個(gè)道道就要了解電容的實(shí)際特性，理想的電容它只是一個(gè)電荷的存儲(chǔ)器，即C。

而實(shí)際制造出來(lái)的電容卻不是那么簡(jiǎn)單的，分析電源完整性的時(shí)候我們常用的電容模型如下圖所示。


圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻，ESL是電容的串聯(lián)等效電感，C才是真正的理想電容。

ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的，沒(méi)法消除，那這兩個(gè)東西對(duì)電路有什么影響。

ESR影響電源的紋波，ESL影響電容的濾波頻率特性。

我們知道電容的容抗Zc=1/ωC，電感的感抗Zl=ωL,(ω=2πf)，實(shí)際電容的復(fù)阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πfL-1/j2πfC。

可見(jiàn)當(dāng)頻率很低的時(shí)候是電容起作用，而頻率高到一定的時(shí)候電感的作用就不可忽視了，再高的時(shí)候電感就起主導(dǎo)作用了，電容就失去濾波的作用了。

所以記住， 高頻的時(shí)候電容就不是單純的電容了， 實(shí)際電容的濾波曲線如下圖所示：


上面說(shuō)了電容的等效串聯(lián)電感是電容的制造工藝和材料決定的，實(shí)際的貼片陶瓷電容的ESL從零點(diǎn)幾nH到幾個(gè)nH，封裝越小ESL就越小。

從上面電容的濾波曲線上我們還看出并不是平坦的，它像一個(gè)’V’，也就是說(shuō)有選頻特性，在時(shí)候我們希望它是越平越好(前級(jí)的板級(jí)濾波)，而有時(shí)候希望它越越尖越好(濾波或陷波)。

影響這個(gè)特性的是電容的品質(zhì)因素Q，Q=1/ωCESR，ESR越大，Q就越小，曲線就越平坦，反之ESR越小，Q就越大，曲線就越尖。

通常鉭電容和鋁電解有比較小的ESL，而ESR大，所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍，非常適合前級(jí)的板級(jí)濾波。

也就是在DCDC或者LDO的輸入級(jí)常常用較大容量的鉭電容來(lái)濾波。

而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的電容來(lái)去耦，陶瓷電容有很低的ESR。
說(shuō)了那么多，那到底我們?cè)诳拷酒墓苣_處放置0.1uF還是0.01uF，下面列出來(lái)給大家參考：

頻率范圍hz
電容取值
DC-100K
10uF以上的鉭電容或鋁電解
100K-10M
100nF(0.1uF)陶瓷電容
10M-100M
10nF(0.01uF)陶瓷電容
>100M
1nF(0.001uF)陶瓷電容

所以， 以后不要見(jiàn)到什么都放0.1uF的電容， 有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。


-END-


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