旁路电容的使用和选择

旁路电容的使用和选择®应用指南2007年8月3日AN1325.0作者:TamaraSchmitz、MikeWong简介旁路电容常见于电子设备的每个工作部分。大多数工程师都知道要对系统、电路甚至每个芯片进行旁路。很多时候我们选择旁路电容是根据过往的设计经验而没有针对具体电路进行优化。本应用指南旨在对看似简单的旁路电容的设计思路进行探讨。在分析为什么要使用旁路电容之后，我们会介绍有关电容基础知识、等效电路、电介质所用材料和电容类型。接下来对旁路电容的主要功能和使用场合进行区分。与仅工作在高频的电路不同，会产生大尖峰电流的电路有不同的旁路需求。另外还会讨论一些有针对性的问题，如,运用多个旁路电容以及电路板布局的重要性。最后，我们给出了四个具体的示例。这四个例子涉及了高、低电流和高、低频率。为什么要使用旁路电容非常常见（和相当令人痛心）的是用面包板搭建一个理想配置电路时，经常会遇到电路运行不稳定或者根本就不能运行的情况（见图1）。来自电源、内部IC电路或邻近IC的噪声可能被耦合进电路。连接导线和电路连接起到了天线的作用而电源电压产生变化，电流随之不稳定。图2所示为通过示波器所观察到的电源引脚上的信号波形。.图2.示波器所观察到的同相放大器直流电源引脚的波形我们可以看到，直流电压附近有很多高频噪音(约10mVP-P)。此外，还有之前提到的幅度超出50mVr的周期性电压脉冲。因假定电源为稳定值（恒定为直流电压），那么任何干扰都将被直接耦合到电路并可能因此导致电路不稳定。电源的第一道抗噪防线是旁路电容。通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电，旁路电容消除了电源电压的波动。旁路电容为电源建立了一个对地低阻抗通道，在很宽频率范围内都可具有上述抗噪功能。要选择最合适的旁路电容，我们要先回答四个问题：1、需要多大容值的旁路电容2、如何放置旁路电容以使其产生最大功效3、要使我们所设计的电路/系统要工作在最佳状态，应选择何种类型的旁路电容？4、隐含的第四个问题----所用旁路电容采用什么样的封装最合适？（这取决于电容大小、电路板空间以及所选电容的类型。）其中第二个问题最容易回答，旁边电容应尽可能靠近每个芯片电源引脚来放置。距离电源引脚越远就等同于增加串联电感，这样会降低旁路电容的自谐振频率（使有效带宽降低）。图1.同相放大器实验电路板(AV=2)1注：这类器件对静电放电比较敏感；请遵守正确的IC操作规程。1-888-INTERSIL或1-888-468-3774|Intersil(和设计)是IntersilAmericasInc的注册商标。版权©IntersilAmericasInc.2008，本公司保留一切权利。文中提到的所有其它商标均归其持有者个人所有。应用指南1325图3.带旁路电容的同相放大器之实验电路板图4.图3中所示为同相放大器的输出信号波形。上图为没有配置旁路电容的电路输出波形、下图配置有旁路电容的电路输出波形旁路电容对稳定同相放大器输出信号的效果如图4所示。要对旁路电容的的布局和布线做进一步的改进将涉及到印制电路板设计的讨论---下一个我们将做深入探讨的话题。另外三个问题(选择电容容值、类型和封装)是本次讨论的重点。我们首先回顾有关电容的基础知识再地这些问题进行详细深入的讨论.电容基础知识对电容的经典定义是：电容由两导电极板间加电介材料组成。随着电荷在极板上堆积,形成穿越介电材料的电场。在两极板间形成一定电势差所需要的电荷量，叫做电容器的电容，单位为法拉。电容也可利用图5中的公式1，由极板的几何尺寸和电介质的品质参数求得。电容容值随着极板面积的增大而增大（因为极板面积越大就可以储存更多的电荷）。极板间的距离表片征了极板上电荷的相互吸引程度。若增加两极板间的距离，则相互作用减弱，电容容值也随之下降。图5中的公式2也反应了这一层关系。最后一个基本公式涉及到电流。电流被定义为电荷的移动（图5，公式3）。因此，只有当电压（极板间的电势差）发生变化时，才会有电荷的移动。也就是说，如果电压恒定不变，那么形成电压的电荷肯定也没有变化；因此也不会有电流产生。总之，电容的容量与其储存电荷的能力直接相关。电容容值的第二个决定性因素是介电材料的品质。电介质介电物质指是位于形成电容器的两导电极板间的材料。介电材料具有高阻抗并且不允许有明显的电流从一个极板流向另一个极板。用做电介质的不同材料，其温度稳定性、击穿电压和损耗系数也不同。表1中给出了常见的介电材料及其介电常数（ε），ε与电容的容值直接相关，见图5中的公式1。2AN1325.02007年8月3日材料的介电常数空气1.00Alsimag196(铝硅镁合金)5.70胶木4.90纤维素3.70纤维6.00防火胶板1.75玻璃7.75云母片5.10云母块7.10纸3.00塑胶玻璃2.80聚乙烯2.30聚苯乙烯2.60陶瓷5.57硼硅玻璃4.00石英3.80皂石5.80Teflon(特氟隆)2.10应用指南1325图5电容结构和基本公式等效电路模型表1.介电材料及其介电常数在了解电容器的结构之后，接下来创建一个用于仿真的等效电路模型。电容器的等效电路模型如图6所示。等效电路中的主要元器件为电容，与之并联的漏电阻代表了介电材料所导致的损耗。与这组并联电容和电阻串联的是另一个电阻和一个电感。这两个值（ESR和ESL）代表了全部电容结构与DC和频率相关的损耗、连接至印制电路板的焊点和将电容器至集成电路和电源的走线所产生的损耗。再次强调，电容器类型和结构将表征这些寄生元器件的值。图6.等效电路模型及元器件描述缩写解释产生原因和细节ESR等效串联电阻电极的引线和连接发热ESL等效串联电感取决于封装类型表面贴着封装比较好小型的SMD封装比较好RLEAK漏电阻电介质的类型3AN1325.02007年8月3日V=QC(2)dVdT(3)I=CI=DQDTC(法拉)=(1)AD(公式1)(公式2)(公式3)顶层极板电介质底层极板定义式：介电常数极板面积板间距离极板间电压板上电荷电容电流单位时间内电压的变化电容应用指南1325表2.常见电容器及比较类型图片电容范围ESR漏电阻额定电压温度范围备注陶瓷pF～µF低中高-55°C～+125°C多用途，便宜云母(银云母)pF～nF低0.01Ω～0.1Ω低高-55°C～+125°C用于RF滤波器贵非常稳定塑料溥膜(聚乙烯,聚苯乙烯)几uF中中高变化用于低频不贵钽uF高0.5Ω～5.0Ω低最低-55°C～+125°C贵非线性（不适用于音频）固态铝电容（OSCON）uF低0.01Ω～0.5Ω低低-55°C～+105°C质量极好价格极高铝电解电容高uF高0.05Ω～2.0Ω中低适用于低到中频不贵保持电荷时间比较长，不适用于生产测试常见电容器及对比前面提到过，电容器所用材料和结构将决定其特性，如寄生参数、温度稳定性、最大电压、线性、成本和尺寸。表2对最常见的表面贴着封装电容器进行了总结。价格便宜、容值范围宽、性能稳定可靠的陶瓷电容是最常见的一类电容。钽电容、Oscan以及铝电解电容都是有极性电容，特别适合作为旁路电容。钽电容适用于低电压系统。铝电解电容被低频到中频系统广泛采用，但不适合开关电路(这种电容的电荷保持性能太好了，不适合周期快速的生产测试)。Oscan是一种特殊的电容，它的寄生参数小、频率范围宽、温度范围广、品质最好，价钱也最高。如果你有足够预算，这种电容可为任何电路提供高品质的旁路为了完整起见，表中还包括了云母和塑料薄膜电容。但他们主要用于滤波器设计而不是旁路。由于陶瓷电容被最广泛地作为旁路电容，讨论一下如何进行选购将是很有必要的。和所期望的那样，陶瓷电容具有宽范围的容值和各种封装。对其各种参数做进一步选择，才能确定电容器的最终价格。见表3的示例。在最新的材料清单中，电容被标志为‘X7R’。这里，X和7标志着最宽的温度范围。最后一个字母R代表电容在整个温度范围上的容差。该例中，电容在整个温度范围上的变化量仅为15%。使用温度范围宽和严格的容差意味着该电容器的价格也很高。4AN1325.02007年8月3日应用指南1325表3.陶瓷片电容选项的分类瓷片电容代码(EIACLASSII)CAPACITORCODE字母符号低温.要求数字符号高温.要求字母符号最大.ΔCOVERΔTZ+10°C2+45°CA±1.0%B±1.5%4+65°CC±2.2%Y-30°CD±3.3%5+85°CE±4.7%F±7.5%X-55°C6+105°CP±10.0%R±15.0%7+125°CS±22.0-T±22.0-U±22.0-V±22.0-选择旁路电容的封装在电介质材料、电介质品质、温度范围、可接受漏电流和电压范围都满足要求后，最后就剩下选择封装尺寸了。通常，封装尺寸的选择依据是：‘上次用的是什么’，或者是否足够大到适合手工焊接(如果是原型设计)。需要记住的是，等效电路会随不同的封装类型而改变。其中主要的是等效串联电感(ESL)。很显然，只要电容结构保持不变，其电容值也会保持不变。若同一电容采用多种不同封装类型，那么极板间的连接和外层封装间的连接必定改变。这会带来额外的串联电阻和电感。封装越小，串联寄生参数就越小。为了证实这一趋势，请参见表4。正如所预期的，等效串联电感将随着封装尺寸的减小而不断缩减。特别注意图7中的1206和0612例子。尽管他们的占位面积相同，1206的焊接点在两端，而0612的焊接点在两个长边。这只是方向上的简单变化，却使封装的内部连接小了许多。令人欣喜的是，ESL降低了95%。在高频宽电路中，串联电感值决定了旁路电路为电源接脚提供低阻抗的能力上限。有关这点将在下节中进一步介绍。确定旁路电容容值通常旁路电容的值都是依惯例或典型值来选取的。例如，常用的容值是1μF和0.1μF。简单的说，将大电容作为低频和大电流电路的旁路，而小电容作为高频旁路。采用多个电容源于与实际电容相关的寄生参数。图8为一个实际电容的阻抗特性。表4.表面贴着封装和其等效串联电感封装ESL(pH)020140004025500603700080580012061250061263图7.1206和0612两种表面黏着封装例子5AN1325.02007年8月3日应用指南1325坐标轴上没有具体数据，其数值可以透过缩放适合任何电容。曲线的左半部份代表传统(和理想的)电容响应：电容的阻抗随着频率的增加而降低。这正是我们所想要的特性，这样旁路电容为电源线上的交流信号提供了一个低阻抗回路(等效短路)。左边曲线的负斜率为常数，但其横向位置取决于电容的大小。例如,当电容增大时，曲线的左半部份将向低频方向(向坐标轴左侧)移动。电容封装中的任何电感都将引起正斜率，如图中的右半部份所示。在这一频率范围内，电感先被抵销，然后又主导电容的低阻抗。由于阻抗与旁路电容的大小和构造有关，频率响应也因此与这些因素有关。因此,设计人员需要仔细阅读数据手册，确保可以选购到合适的旁路电容封装，这种封装应能在你所设计系统的工作频率下提供低阻抗性能。请记住，表4所列的ESL范围为几百pH。只有当系统频率大于100MHz时对阻抗的影响才会越来越大。图8实际电容(非理想状态)的阻抗图10三个电容的阻抗,采用相同的表面贴着封装高频宽系统的旁路在一些宽频系统中，只用单电容旁路是不够的。因为有多个频率耦合到电源线路，旁路网路必须为很宽范围的频率提供低阻抗。由于阻抗曲线的斜率具有实体限制，既有负的也有正的，故需要并联多个电容。当然，在为每个电容选择封装类型时必须谨慎。通常BOM表中会规定所有的无源元器件都要选用相同的尺寸，如都用0805电容。图10为三只电容并联后的阻抗与频率关系。由于每只电容采用相同的封装，故它们的高频响应相同。实际上，这就抵消了更小电容的采用！相反，封装尺寸应该随同电容值一起微缩，见图5。当然，上述细节意味着必须对旁路电容的布局予以密切关注。任何走线长度的增加都将导致旁路通道的阻抗增加。每条走线都使得电感增加，走线越长，旁路通道的有用频率就越低(相当于将图8中的曲线左移)。因此，旁路电容必须尽可能地靠近电源接脚。电容的另一端需