本文作者:滄海一聲笑，e小白網(wǎng)址:www.e-xiaobai.com

一、電容的作用
??? 作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能
的作用，下面分類詳述之。
1、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大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。

2、去藕
??? 從電路來說，是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)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），這種電流相對于正常情況
來說實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級的正常工作，這就是所謂的“耦合”。去藕電容就是起到一個(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。
??? 旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(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)諧振頻率一般取 0.1uF、0.01uF 等；而去耦合電容的容
量一般較大，可能是 10uF 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來確定。旁路是把
輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這
應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

3、濾波
??? 理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過10uF
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，電容越小高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000uF）濾低頻
，小電容（20pF）濾高頻。于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，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，放電的過程。

4、儲(chǔ)能
??? 儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過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，對于功率級超過 10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺
旋端子電容器。

二、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)又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形
成了輸入輸出信號耦合，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)
容量的電容器對交流信號較小的阻抗，這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。

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)
??? 這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時(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。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述
：i = (V / R)e- (t / CR)

三、電容的選擇
??? 通常，應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢？應(yīng)基于以下幾點(diǎn)考慮：
1、靜電容量
2、額定耐壓
3、容值誤差
4、直流偏壓下的電容變化量
5、噪聲等級
6、電容的類型
7、電容的規(guī)格
??? 電容作為器件的外圍元件，幾乎每個(gè)器件的 Datasheet 或者 Solutions，都比較明確地指明了外圍
元件的選擇參數(shù)，也就是說，據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求，然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。選用電容時(shí)
不僅僅是只看容量和封裝，具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境，特殊的電路必須用特殊的電容。
??? 下面是 chip capacitor（貼片電容） 根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類，介電常數(shù)直接影響電路的穩(wěn)定性。
NP0 or CH （K < 150）：
電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度﹑電壓與時(shí)間的改變而改變，適用于對穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于
K 值較小，所以在 0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。

X7R or YB （2000 < K < 4000）：
電氣性能較穩(wěn)定，在溫度、電壓與時(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著，適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩(wěn)
定性要求不太高的全頻鑒電路，此類電容應(yīng)用最廣泛。

Y5V or YF（K > 15000）：
容量穩(wěn)定性較 X7R 差（?C < +20% ～ -8 0%），容量損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，但由于其 K
值較大，所以適用于一些容值要求較高的場合。

四、電容的分類
??? 電容的分類方式及種類很多，基于電容的材料特性，其可分為以下幾大類：
1、鋁電解電容
??? 電容容量范圍為 10uF ～ 22000uF，高脈動(dòng)電流、長壽命、大容量的不二之選，廣泛應(yīng)用于電源濾波
、解藕等場合。

2、薄膜電容
??? 電容容量范圍為 0.1pF ～ 10uF，具有較小公差、較高容量穩(wěn)定性及極低的壓電效應(yīng)，因此是 X、Y
安全電容、EMI/EMC 的首選。

3、鉭電容
??? 電容容量范圍為 2.2uF ～ 560uF，低等效串聯(lián)電阻（ESR）、低等效串聯(lián)電感（ESL）。脈動(dòng)吸收、瞬
態(tài)響應(yīng)及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容，是高穩(wěn)定電源的理想選擇。

4、陶瓷電容
??? 電容容量范圍為 0.5pF ～ 100pf，獨(dú)特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶，迎合了當(dāng)今“更輕、更薄、更節(jié)能
“的設(shè)計(jì)理念。

5、超級電容
??? 電容容量范圍為 0.022F ～ 70F，極高的容值，因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。
??? 主要特點(diǎn)是：超高容值、良好的充/放電特性，適合于電能存儲(chǔ)和電源備份。缺點(diǎn)是耐壓較低，工作溫
度范圍較窄。

五、多層陶瓷電容
??? 對于電容而言，小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。其中，要數(shù)多層陶瓷電容（MLCC）的發(fā)展最快。多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛，但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對其提出了新要求。例如，手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能；基帶處理 器要求高速度、低電壓；LCD 模塊要求低厚度（0.5mm）、大容量電容。而汽車環(huán)境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求：首先是耐高溫，放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足 150℃ 的工作溫度；其次是在電池電路上需要短路失 效保護(hù)設(shè)計(jì)。也就是說，小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù)，因此需要從材料方面，降低介電常數(shù)對電壓的依賴，優(yōu)化直流偏置電壓特性。??? 應(yīng)用中較為常見的是 X7R（X5R）類多層陶瓷電容， 它的容量主要集中在1000pF以上，該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻（ESR），在高波紋電流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。
??? 可以肯定，ESR 是衡量一個(gè)電容特性的主要參數(shù)之一。但是，選擇電容，應(yīng)避免 ESR 越低越好，品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。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意的夸大。普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽極和陰極和電解質(zhì)，陽極是鈍化鋁，陰極是純鋁，所以關(guān)鍵是在陽極和電解質(zhì)。陽極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問題。
??? 一般來說，鉭電解電容的 ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多，高頻性能更好。如果那個(gè)
電容是用在濾波器電路（比如中心為 50Hz 的帶通濾波器）的話，要注意容量變化后對濾波器性能的影響。

六、旁路電容的應(yīng)用問題
??? 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求 MCU 從耗電量很大的處理密集型工作模式進(jìn)入耗電量很少的空閑/休眠模式
。這些轉(zhuǎn)換很容易引起線路損耗的急劇增加，增加的速率很高，達(dá)到 20A/ms 甚至更快。通常采用旁路電
容來解決穩(wěn)壓器無法適應(yīng)系統(tǒng)中高速器件引起的負(fù)載變化，以確保電源輸出的穩(wěn)定性及良好的瞬態(tài)響應(yīng)。
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大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。應(yīng)該明白，大容量
和小容量的旁路電容都可能是必需的，有的甚至是多個(gè)陶瓷電容和鉭電容。這樣的組合能夠解決上述負(fù)載
電流或許為階梯變化所帶來的問題，而且還能提供足夠的去耦以抑制電壓和電流毛刺。在負(fù)載變化非常劇
烈的情況下，則需要三個(gè)或更多不同容量的電容，以保證在穩(wěn)壓器穩(wěn)壓前提供足夠的電流。快速的瞬態(tài)過
程由高頻小容量電容來抑制，中速的瞬態(tài)過程由低頻大容量來抑制，剩下則交給穩(wěn)壓器完成了，穩(wěn)壓器也
要求電容盡量靠近電壓輸出端。

七、電容的等效串聯(lián)電阻 ESR
??? 普遍的觀點(diǎn)是：一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉(zhuǎn)換時(shí)
的峰值（紋波）電流。但是，有時(shí)這樣的選擇容易引起穩(wěn)壓器（特別是線性穩(wěn)壓器 LDO）的不穩(wěn)定，所以
必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠(yuǎn)記住，穩(wěn)壓器就是一個(gè)放大器，放大器可能出現(xiàn)的各種情
況它都會(huì)出現(xiàn)。由于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度相對較慢，輸出去耦電容在負(fù)載階躍的初始階段起主導(dǎo)的
作用，因此需要額外大容量的電容來減緩相對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)用高頻電容減緩相對于
大電容的快速變換。
??? 通常，大容量電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該選擇為合適的值，以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的數(shù)據(jù)
手冊規(guī)定之內(nèi)。高頻轉(zhuǎn)換中，小容量電容在 0.01uF 到 0.1uF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或
者多層陶瓷電容（MLCC）具有更小的 ESR。另外，在這些容值下，它們的體積和 BOM 成本都比較合理。
如果局部低頻去耦不充分，則從低頻向高頻轉(zhuǎn)換時(shí)將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續(xù)數(shù)毫秒，
時(shí)間長短主要取決于穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)增益和提供較大負(fù)載電流的時(shí)間。用 ESR 大的電容并聯(lián)比用 ESR 恰好
那么低的單個(gè)電容當(dāng)然更具成本效益。這需要在PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。