电容去耦原理解释十分透彻

实用标准 电容退耦原理 采用电容退耦是解决电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度，降 低电源分配系统的阻抗都非常有效。 对于电容退耦，很多资料中都有涉及，但是阐述的角度不同。有些是从局部电荷存储（即 储能）的角度来说明，有些是从电源分配系统的阻抗的角度来说明，还有些资料的说明更 为混乱，一会提储能，一会提阻抗，因此很多人在看资料的时候感到有些迷惑。其实，这 两种提法，本质上是相同的，只不过看待问题的视角不同而已。为了让大家有个清楚的认 识，本文分别介绍一下这两种解释。 4.1 从储能的角度来说明电容退耦原理。 在制作电路板时，通常会在负载芯片周围放置很多电容，这些电容就起到电源退耦作用。 其原理可用图 1 说明。 图 1 去耦电路 当负载电流不变时，其电流由稳压电源部分提供，即图中的 I0，方向如图所示。此时电容 两端电压与负载两端电压一致，电流 Ic 为 0，电容两端存储相当数量的电荷，其电荷数量 和电容量有关。当负载瞬态电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极 快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电 流的变化，因此，电流 I0 不会马上满足负载瞬态电流要求，因此负载芯片电压会降低。但 是由于电容电压与负载电压相同，因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必 然产生电流，此时电容对负载放电，电流 Ic 不再为 0，为负载芯片提供电流。根据电容等 式： （公式 1） 只要电容量 C 足够大，只需很小的电压变化，电容就可以提供足够大的电流，满足负载瞬 态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里，相当于电容预 先存储了一部分电能，在负载需要的时候释放出来，即电容是储能元件。储能电容的存在 文案大全 实用标准 使负载消耗的能量得到快速补充，因此保证了负载两端电压不至于有太大变化，此时电容 担负的是局部电源的角色。 从储能的角度来理解电源退耦，非常直观易懂，但是对电路设计帮助不大。从阻抗的角度 理解电容退耦，能让我们设计电路时有章可循。实际上，在决定电源分配系统的去耦电容 量的时候，用的就是阻抗的概念。 4.2 从阻抗的角度来理解退耦原理。 将图 1 中的负载芯片拿掉，如图 2 所示。从 AB 两点向左看过去，稳压电源以及电容退耦 系统一起，可以看成一个复合的电源系统。这个电源系统的特点是：不论 AB 两点间负载 瞬态电流如何变化，都能保证 AB 两点间的电压保持稳定，即 AB 两点间电压变化很小。 图片 2 电源部分 我们可以用一个等效电源模型表示上面这个复合的电源系统，如图 3 图 3 等效电源 对于这个电路可写出如下等式： （公式 2） 我们的最终设计目标是，不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化，都要保持 AB 两点间电压 变化范围很小，根据公式 2，这个要求等效于电源系统的阻抗 Z 要足够低。在图 2 中，我 们是通过去耦电容来达到这一要求的，因此从等效的角度出发，可以说去耦电容降低了电 文案大全 实用标准 源系统的阻抗。另一方面，从电路原理的角度来说，可得到同样结论。电容对于交流信号 呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。 从阻抗的角度理解电容退耦，可以给我们设计电源分配系统带来极大的方便。实际上，电 源分配系统设计的最根本的原则就是使阻抗最小。最有效的设计方法就是在这个原则指导 下产生的。 正确使用电容进行电源退耦，必须了解实际电容的频率特性。理想电容器在实际中是不存 在的，这就是为什么经常听到“电容不仅仅是电容”的原因。 实际的电容器总会存在一些寄生参数，这些寄生参数在低频时表现不明显，但是高频情况 下，其重要性可能会超过容值本身。图 4 是实际电容器的 SPICE 模型，图中，ESR 代表等 效串联电阻，ESL 代表等效串联电感或寄生电感，C 为理想电容。 图 4 电容模型 等效串联电感（寄生电感）无法消除，只要存在引线，就会有寄生电感。这从磁场能量变 化的角度可以很容易理解，电流发生变化时，磁场能量发生变化，但是不可能发生能量跃 变，表现出电感特性。寄生电感会延缓电容电流的变化，电感越大，电容充放电阻抗就越 大，反应时间就越长。等效串联电阻也不可消除的，很简单，因为制作电容的材料不是超 导体。 讨论实际电容特性之前，首先介绍谐振的概念。对于图 4 的电容模型，其复阻抗为： （公式 3） 文案大全 实用标准 当频率很低时，远小于，整个电容器表现为电容性，当频率很高时， 大于， 电容器此时表现为电感性，因此“高频时电容不再是电容”，而呈现为电感。当 时，，此时容性阻抗矢量与感性阻抗之差为 0，电容 的总阻抗最小，表现为纯电阻特性。该频率点就是电容的自谐振频率。自谐振频率点是区 分电容是容性还是感性的分界点，高于谐振频率时，“电容不再是电容”，因此退耦作用将 下降。因此，实际电容器都有一定的工作频率范围，只有在其工作频率范围内，电容才具 有很好的退耦作用，使用电容进行电源退耦时要特别关注这一点。寄生电感（等效串联电 感）是电容器在高于自谐振频率点之后退耦功能被消弱的根本原因。图 5 显示了一个实际 的 0805 封装 0.1uF 陶瓷电容，其阻抗随频率变化的曲线。 图 5 电容阻抗特性 电容的自谐振频率值和它的电容值及等效串联电感值有关，使用时可查看器件手册，了解 该项参数，确定电容的有效频率范围。下面列出了 AVX 生产的陶瓷电容不同封装的各项参 数值。 封装 0402 0603 0805 1206 ESL（nH） ESR（欧姆） 0.4 0.5 0.6 1 0.06 0.098 0.079 0.12 文案大全 实用标准 1210 1812 2220 0.9 1.4 1.6 0.12 0.203 0.285 电容的等效串联电感和生产工艺和封装尺寸有关，同一个厂家的同种封装尺寸的电容，其 等效串联电感基本相同。通常小封装的电容等效串联电感更低，宽体封装的电容比窄体封 装的电容有更低的等效串联电感。 既然电容可以看成 RLC 串联电路，因此也会存在品质因数，即 Q 值，这也是在使用电容时 的一个重要参数。 电路在谐振时容抗等于感抗，所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等，电容上的电 压有效值 UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU，品质因数 Q=1/ωCR，这里 I 是电路的总电流。电感上的 电压有效值 UL=ωLI=ωL*U/R=QU，品质因数 Q=ωL/R。因为：UC=UL 所以 Q=1/ωCR=ωL/R。 电容上的电压与外加信号电压 U 之比 UC/U=（I*1/ωC）/RI=1/ωCR=Q。电感上的电压与外 加信号电压 U 之比 UL/U=ωLI/RI=ωL/R=Q。从上面分析可见，电路的品质因数越高，电感或 电容上的电压比外加电压越高。 图 6 Q 值的影响 Q 值影响电路的频率选择性。当电路处于谐振频率时，有最大的电流，偏离谐振频率时总 电流减小。我们用 I/I0 表示通过电容的电流与谐振电流的比值，即相对变化率。 表示频率 偏离谐振频率程度。图 6 显示了 I/I0 与关系曲线。这里有三条曲线，对应三个不同 的 Q 值，其中有 Q1Q2Q3。从