電容

作為重要的無(wú)源元件，應(yīng)用十分廣泛。本文將介紹電容應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲(chǔ)能方面電容的作用，以及電容應(yīng)用于信號(hào)電路，完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用詳解。

 

作為無(wú)源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

 

電容應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)濾波、旁路、去耦和儲(chǔ)能方面電容的作用：

 

1 濾波

 

濾波是電容的作用中很重要的一部分，幾乎所有的電源電路中都會(huì)用到。從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。

 

有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)，電容越大高頻越容易通過(guò)。具體用在濾波中，大電容（1000uF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。

 

曾有網(wǎng)友將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電放電的過(guò)程。

2 旁路

 

旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。

 

3 去耦

 

去耦，又稱(chēng)解耦。從電路來(lái)說(shuō)，總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。

 

去耦電容就是起到一個(gè)電池的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去耦電容結(jié)合起來(lái)將更容易理解。

 

旁路電容實(shí)際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10uF或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

 

4 儲(chǔ)能

 

儲(chǔ)能型電容器通過(guò)整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過(guò)變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000uF之間的鋁電解電容器是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式， 對(duì)于功率級(jí)超過(guò)10KW的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

 

 

電容應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用：

 

1 耦合

 

舉個(gè)例子來(lái)講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號(hào)產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合，這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào)較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱(chēng)此電容為去耦電容。

 

2 振蕩/同步

 

包括RC、LC振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

 

3 時(shí)間常數(shù)

 

當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過(guò)電阻（R）、電容（C）的特性通過(guò)下面的公式描述：i = （V/R）e -（t/CR）

 

 

我們知道了電容的作用以后下面來(lái)談?wù)勲娙菰谑褂弥械淖⒁馐马?xiàng)：

 

1 什么是好電容

 

電容容量越大越好：很多人在電容的替換中往往愛(ài)用大容量的電容。我們知道雖然電容越大，為IC提供的電流補(bǔ)償?shù)哪芰υ綇?qiáng)。且不說(shuō)電容容量的增大帶來(lái)的體積變大，增加成本的同時(shí)還影響空氣流動(dòng)和散熱。關(guān)鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)生諧振。在諧振點(diǎn)，電容的阻抗小。

因此放電回路的阻抗最小，補(bǔ)充能量的效果也最好。但當(dāng)頻率超過(guò)諧振點(diǎn)時(shí)，放電回路的阻抗開(kāi)始增加，電容提供電流能力便開(kāi)始下降。電容的容值越大，諧振頻率越低，電容能有效補(bǔ)償電流的頻率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來(lái)說(shuō)，電容越大越好的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，一般的電路設(shè)計(jì)中都有一個(gè)參考值的。

 

同樣容量的電容，并聯(lián)越多的小電容越好：耐壓值、耐溫值、容值、ESR（等效電阻）等是電容的幾個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關(guān)系。當(dāng)電壓固定時(shí)候，容量越大，ESR越低。在板卡設(shè)計(jì)中采用多個(gè)小電容并連多是出與PCB空間的限制，這樣有的人就認(rèn)為，越多的并聯(lián)小電阻，ESR越低，效果越好。理論上是如此，但是要考慮到電容接腳焊點(diǎn)的阻抗，采用多個(gè)小電容并聯(lián)，效果并不一定突出。

 

ESR越低，效果越好：對(duì)于輸入電容來(lái)說(shuō)，輸入電容的容量要大一點(diǎn)。相對(duì)容量的要求，對(duì)ESR的要求可以適當(dāng)?shù)慕档?。因?yàn)檩斎腚娙葜饕悄蛪海浯问俏誐OSFET的開(kāi)關(guān)脈沖。對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。

ESR的要求則高一點(diǎn)，因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過(guò)量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會(huì)引起開(kāi)關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。板卡設(shè)計(jì)中，這里一般有一個(gè)參考值，此作為元件選用參數(shù)，避免消振電路而導(dǎo)致成本的增加。

 

好電容代表著高品質(zhì)：“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時(shí)，一些廠商和媒體也刻意的把這個(gè)事情做成一個(gè)賣(mài)點(diǎn)。在板卡設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)水平是關(guān)鍵。和有的廠商可以用兩相供電做出比一些廠商采用四相供電更穩(wěn)定的產(chǎn)品一樣，一味的采用高價(jià)電容，不一定能做出好產(chǎn)品。衡量一個(gè)產(chǎn)品，一定要全方位多角度的去考慮，切不可把電容的作用有意無(wú)意的夸大。

 

2 電容爆漿種類(lèi)

 

爆漿的種類(lèi)：分兩類(lèi)，輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。

 

輸入電容爆漿和電源輸入電流的品質(zhì)有關(guān)。過(guò)多的毛刺電壓，峰值電壓過(guò)高，電流不穩(wěn)定等都使電容過(guò)于充放電過(guò)于頻繁，長(zhǎng)時(shí)間處于這類(lèi)工作環(huán)境下的電容，內(nèi)部溫度升高很快。超過(guò)泄爆口的承受極限就會(huì)發(fā)生爆漿。

 

對(duì)于輸出電容來(lái)說(shuō)，對(duì)經(jīng)電源模塊調(diào)整后的電流進(jìn)行濾波，電流經(jīng)過(guò)一次過(guò)濾，比較平穩(wěn)，發(fā)生爆漿的可能性相對(duì)來(lái)說(shuō)小了不少。但如果環(huán)境溫度過(guò)高，電容同樣容易發(fā)生爆漿。爆，報(bào)也。采用垃圾東西自然要爆，報(bào)應(yīng)啊。欲知過(guò)去因者，見(jiàn)其現(xiàn)在果；欲知未來(lái)果者，見(jiàn)其現(xiàn)在因。

 

3 電解電容爆漿的原因

 

電容爆漿的原因有很多，比如電流大于允許的穩(wěn)波電流、使用電壓超出工作電壓、逆向電壓、頻繁的充放電等。

 

但是最直接的原因就是高溫。我們知道電容有一個(gè)重要的參數(shù)就是耐溫值，指的就是電容內(nèi)部電解液的沸點(diǎn)。當(dāng)電容的內(nèi)部溫度達(dá)到電解液的沸點(diǎn)時(shí)，電解液開(kāi)始沸騰，電容內(nèi)部的壓力升高，當(dāng)壓力超過(guò)泄爆口的承受極限就發(fā)生了爆漿。所以說(shuō)溫度是導(dǎo)致電容爆漿的直接原因。

 

電容設(shè)計(jì)使用壽命大約為2萬(wàn)小時(shí)，受環(huán)境溫度的影響也很大。電容的使用壽命隨溫度的增加而減小，實(shí)驗(yàn)證明環(huán)境溫度每升高10℃，電容的壽命就會(huì)減半。主要原因就是溫度加速化學(xué)反應(yīng)而使介質(zhì)隨時(shí)間退化失效，這樣電容壽命終結(jié)。為了保證電容的穩(wěn)定性，電容在插板前要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境的測(cè)試。即使是在100℃，高品質(zhì)的電容也可以工作幾千個(gè)小時(shí)。

 

同時(shí)，我們提到的電容的壽命是指電容在使用過(guò)程中，電容容量不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問(wèn)題，而不是設(shè)計(jì)壽命到達(dá)之后就發(fā)生爆漿。只是無(wú)法保證電容的設(shè)計(jì)的容量標(biāo)準(zhǔn)。

 

所以，短時(shí)期內(nèi)，正常使用的板卡電容就發(fā)生爆漿的情況，這就是電容品質(zhì)問(wèn)題。另外，不正常的使用情況也有可能發(fā)生電容爆漿的情況。比如熱插拔電腦配件也會(huì)導(dǎo)致板卡局部電路電流、電壓的劇烈變化，從而引發(fā)電容使用故障。