去耦電容在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,這個(gè)實(shí)例講得好!
發(fā)布時(shí)間:2023-07-11作者:admin點(diǎn)擊:649
電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過(guò)程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實(shí),作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì),電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的,它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。
這里,只介紹一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)計(jì)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(jià)可靠的電源方案。這也是我們國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個(gè)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(shí);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(méi)有蛋吃,“路有餓死骨”也不值得可惜。
言歸正轉(zhuǎn),先給大家介紹一下電容。
大家對(duì)電容的概念大多還停留在理想的電容階段,一般認(rèn)為電容就是一個(gè)C。卻不知道電容還有很多重要的參數(shù),也不知道一個(gè)1uF的瓷片電容和一個(gè)1uF的鋁電解電容有什么不同。實(shí)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(cè)到的,不過(guò)也可有很多電容測(cè)量的環(huán)境不同。但有一點(diǎn)需注意,電容值C本身是會(huì)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(shí)感抗較小,所以可以不考慮。當(dāng)頻率較高時(shí),就要考慮這個(gè)電感了。舉個(gè)例子,一個(gè)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(wú)論哪種電容都會(huì)有一個(gè)等效串聯(lián)電阻,當(dāng)電容工作在諧振點(diǎn)頻率時(shí),電容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一個(gè)電阻,這個(gè)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(guò),設(shè)計(jì)中最重要的還是C和ESR。
下面,簡(jiǎn)單介紹一下我們常用到的三種電容:鋁電解電容、瓷片電容、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(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動(dòng)速度限制,一般都應(yīng)用在頻率較低(1M 以下)的濾波場(chǎng)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(huì)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(huì)減半。如果電容在室溫27 度時(shí)能使用10000小時(shí)的話,57度的環(huán)境下只能使用1250小時(shí)。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(chǎng)合。不過(guò),瓷片電容因?yàn)榻橘|(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(guò)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(huì)致使材質(zhì)極化,使電容量減小)影響很嚴(yán)重。
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(shí),容量變?yōu)闃?biāo)稱值的50%。
可以看到50V 耐壓的Y5V 瓷片電容在應(yīng)用在30V 時(shí),容量只有標(biāo)稱值的30%。陶瓷電容有一個(gè)很大的缺點(diǎn),就是易碎。所以需要避免磕碰,盡量遠(yuǎn)離電路板易發(fā)生形變的地方。
3)鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)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(shì),價(jià)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(xì)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(gè)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(gè)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(shí)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(chǎng)合,并不是價(jià)格越高越好。
接下來(lái),講一下電源設(shè)計(jì)中電容的作用。
在電源設(shè)計(jì)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(lái)噪聲,而退耦/旁路(一種,以旁路的形式達(dá)到退耦效果,以后用“退耦”代替)是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu):
圖中開(kāi)關(guān)電源為A和B供電。電流經(jīng)C1 后再經(jīng)過(guò)一段PCB 走線(暫等效為一個(gè)電感,實(shí)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(kāi)兩路分別供給A 和B。
開(kāi)關(guān)電源出來(lái)的紋波比較大,于是我們使用C1對(duì)電源進(jìn)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(gè)很大的電流時(shí),如果沒(méi)有C2 和C3,那么會(huì)因?yàn)榫€路電感的原因A端的電壓會(huì)變低,而B(niǎo)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(duì)B電路的信號(hào)產(chǎn)生影響。同樣,B的電流變化也會(huì)對(duì)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(gè)瞬間的大電流的時(shí)候,電容C2可以為A暫時(shí)提供電流,即使共路部分電感存在,A端電壓不會(huì)下降太多。對(duì)B的影響也會(huì)減小很多。于是通過(guò)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(duì)速度要求不是很快,但對(duì)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(huì)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(dá)到效果。如果圖中的局部電路A 是指一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)電源芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)里找到計(jì)算公式。如果濾波電路同時(shí)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(kāi)關(guān)電源最近,這樣能保護(hù)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(gè)要求,一個(gè)是容量需求,另一個(gè)是ESR需求。也就是說(shuō)一個(gè)0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個(gè)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(gè)0.01uF電容能達(dá)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(jì)指導(dǎo)手冊(cè)會(huì)給出電源設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)瓷片電容,還要有幾個(gè)大電容,總?cè)萘恳?00uF以上。
電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過(guò)程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實(shí),作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì),電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的,它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。
這里,只介紹一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)計(jì)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(jià)可靠的電源方案。這也是我們國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個(gè)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(shí);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(méi)有蛋吃,“路有餓死骨”也不值得可惜。
言歸正轉(zhuǎn),先給大家介紹一下電容。
大家對(duì)電容的概念大多還停留在理想的電容階段,一般認(rèn)為電容就是一個(gè)C。卻不知道電容還有很多重要的參數(shù),也不知道一個(gè)1uF的瓷片電容和一個(gè)1uF的鋁電解電容有什么不同。實(shí)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(cè)到的,不過(guò)也可有很多電容測(cè)量的環(huán)境不同。但有一點(diǎn)需注意,電容值C本身是會(huì)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(shí)感抗較小,所以可以不考慮。當(dāng)頻率較高時(shí),就要考慮這個(gè)電感了。舉個(gè)例子,一個(gè)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(wú)論哪種電容都會(huì)有一個(gè)等效串聯(lián)電阻,當(dāng)電容工作在諧振點(diǎn)頻率時(shí),電容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一個(gè)電阻,這個(gè)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(guò),設(shè)計(jì)中最重要的還是C和ESR。
下面,簡(jiǎn)單介紹一下我們常用到的三種電容:鋁電解電容、瓷片電容、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(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動(dòng)速度限制,一般都應(yīng)用在頻率較低(1M 以下)的濾波場(chǎng)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(huì)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(huì)減半。如果電容在室溫27 度時(shí)能使用10000小時(shí)的話,57度的環(huán)境下只能使用1250小時(shí)。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(chǎng)合。不過(guò),瓷片電容因?yàn)榻橘|(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(guò)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(huì)致使材質(zhì)極化,使電容量減小)影響很嚴(yán)重。
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(shí),容量變?yōu)闃?biāo)稱值的50%。
可以看到50V 耐壓的Y5V 瓷片電容在應(yīng)用在30V 時(shí),容量只有標(biāo)稱值的30%。陶瓷電容有一個(gè)很大的缺點(diǎn),就是易碎。所以需要避免磕碰,盡量遠(yuǎn)離電路板易發(fā)生形變的地方。
3)鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)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(shì),價(jià)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(xì)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(gè)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(gè)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(shí)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(chǎng)合,并不是價(jià)格越高越好。
接下來(lái),講一下電源設(shè)計(jì)中電容的作用。
在電源設(shè)計(jì)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(lái)噪聲,而退耦/旁路(一種,以旁路的形式達(dá)到退耦效果,以后用“退耦”代替)是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu):
圖中開(kāi)關(guān)電源為A和B供電。電流經(jīng)C1 后再經(jīng)過(guò)一段PCB 走線(暫等效為一個(gè)電感,實(shí)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(kāi)兩路分別供給A 和B。
開(kāi)關(guān)電源出來(lái)的紋波比較大,于是我們使用C1對(duì)電源進(jìn)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(gè)很大的電流時(shí),如果沒(méi)有C2 和C3,那么會(huì)因?yàn)榫€路電感的原因A端的電壓會(huì)變低,而B(niǎo)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(duì)B電路的信號(hào)產(chǎn)生影響。同樣,B的電流變化也會(huì)對(duì)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(gè)瞬間的大電流的時(shí)候,電容C2可以為A暫時(shí)提供電流,即使共路部分電感存在,A端電壓不會(huì)下降太多。對(duì)B的影響也會(huì)減小很多。于是通過(guò)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(duì)速度要求不是很快,但對(duì)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(huì)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(dá)到效果。如果圖中的局部電路A 是指一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)電源芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)里找到計(jì)算公式。如果濾波電路同時(shí)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(kāi)關(guān)電源最近,這樣能保護(hù)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(gè)要求,一個(gè)是容量需求,另一個(gè)是ESR需求。也就是說(shuō)一個(gè)0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個(gè)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(gè)0.01uF電容能達(dá)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(jì)指導(dǎo)手冊(cè)會(huì)給出電源設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)瓷片電容,還要有幾個(gè)大電容,總?cè)萘恳?00uF以上。