很多人設(shè)計(jì)電路，通常會(huì)覺(jué)得 電源 的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，覺(jué)得不就是線性電源和開(kāi)關(guān)電源嗎?找個(gè)參考設(shè)計(jì)抄一下就行了。

因此，電源常常是我們?cè)?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)過(guò)程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。雖然，電源是設(shè)計(jì)中非?；A(chǔ)的部分，但是，作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是非常重要的，它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及性能和成本。

下面這張圖是我設(shè)計(jì)的一個(gè)對(duì)照?qǐng)D。人體器官對(duì)應(yīng)常見(jiàn)電路的功能模塊，我覺(jué)得這樣比較形象。比如，大腦就對(duì)應(yīng)常用的電路系統(tǒng)中的CPU部分，肚子呢?吃東西的，就相當(dāng)于存儲(chǔ)部分。而我們的心臟不停的跳動(dòng)，泵血，當(dāng)然就相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電源了。

其中，電源可以分析的地方非常多。比如我們要設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源就需要搞懂以下這些知識(shí)：

1)認(rèn)識(shí)組成開(kāi)關(guān)電源的所有元器件;

2)掌握各種元器件的電氣性能和電路符號(hào);

3)會(huì)自己制作各種磁性元件;

4)會(huì)正確裝配電源中的各個(gè)部分;

5)了解電源各項(xiàng)指標(biāo)的意義并掌握如何測(cè)試的方法;

6)會(huì)使用儀器對(duì)裝配后的電源進(jìn)行正確的調(diào)試,優(yōu)化和折衷;

7)會(huì)對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,并進(jìn)行總結(jié);

8)會(huì)從不同的渠道不斷地學(xué)習(xí)電源知識(shí).

退耦電容的工作邏輯

由于電源內(nèi)容太多，本文只是關(guān)注一個(gè)小細(xì)節(jié)----電源中的退耦電容。

退耦電容往往又是電源設(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。退耦電容是電源電路不可或缺的部分，我們從退耦電容一個(gè)作用點(diǎn)說(shuō)起---退耦電容的小池塘作用。

為簡(jiǎn)單清晰的說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我做了下圖。左邊是水庫(kù)，右邊是小池塘和玉米莊稼地。工作邏輯是這樣的：雖然直接用水庫(kù)里的水灌溉玉米地也是可以的，但是由于距離太遠(yuǎn)，遠(yuǎn)水解不了近渴，所以莊稼地很容易干死。因此，通常情況下，在玉米地附近，會(huì)配套的開(kāi)發(fā)出，小池塘，用作零時(shí)的水源供應(yīng)。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)玉米地需要灌溉時(shí)，從旁邊的小池塘中，可以直接取水，保證玉米的穩(wěn)定生長(zhǎng)。而小池塘中，如果缺水，可以從水庫(kù)中調(diào)水過(guò)來(lái)，因此池塘是有存儲(chǔ)功能的。這樣就可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

對(duì)照來(lái)說(shuō)，水庫(kù)就相當(dāng)于式電路系統(tǒng)中的電源供應(yīng)模塊，小池塘就相當(dāng)于是退耦電容，而玉米地就是工作的芯片，處理器等。芯片穩(wěn)定工作，需要穩(wěn)定的供電，但是如果芯片的電壓需求波動(dòng)時(shí)，電源來(lái)不及及時(shí)處理，此時(shí)，退耦電容就可以充當(dāng)臨時(shí)電池，來(lái)補(bǔ)充需要的電源。以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

電容的分析

很多人對(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)。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。

常見(jiàn)的電容

常見(jiàn)的電容，有鋁電解電容，瓷片電容和鉭電容等。

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。

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。

3)鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)電池。

首先，要說(shuō)的是鉭電容其實(shí)是電解電容的一種，這個(gè)很多人都不知道。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。因此，雖然鉭電容有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于某些場(chǎng)合容易被擊穿，因此應(yīng)用的時(shí)候，一定要多加考慮。很多時(shí)候，我們避免用鉭電容。

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/旁路是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。

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。一般來(lái)說(shuō)，作為退耦的電容，必須有很快的響應(yīng)速度才能達(dá)到效果。

另外，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。通常，電源的濾波中，會(huì)考慮將不同容值得得電容并聯(lián)起來(lái)，以形成一個(gè)低阻抗的坑，達(dá)到更好的濾波效果，讓系統(tǒng)工作更穩(wěn)定。

審核編輯 ：李倩