电路设计电容使用误区(不要什么地方都用0.1μF)

启芯硬件 2024-10-20 21:01:23
电路中,电容的主要作用有四种,也就是我们常说的储能,滤波,旁路,去耦。四种电路的应用形式,可以用下图简要表示应用场合。

而具体说来,电容作用可以详细归纳如下

能量存储:电容可以存储电能,当电压施加在电容上时,电容会存储电荷。这种能量存储特性使电容在平滑电源电压、提供瞬态电源等方面非常有用。

滤波:电容常被用作滤波器的组成部分,特别是在电源电路中。通过在电源和地之间放置电容,可以滤除电源中的高频噪声,使电源电压更为稳定。

时延:电容的充电和放电过程会导致电压的变化,因此,电容可以用于引入时间常数,从而在电路中引入一定的时间延迟。

耦合和解耦:电容可以用于耦合(将信号传递到另一部分电路)和解耦(隔离电路中的不同部分)。在放大器电路中,耦合电容可以传递交流信号,而阻隔直流分量。

电路解耦:在集成电路和模拟电路中,电容常用于解耦电源电压,确保集成电路或模拟电路受到稳定的电源供应。

谐振电路:电容和电感器件组成谐振电路,用于选择性地通过特定频率的信号,这在通信系统和射频电路中很常见。

相移:电容导致信号的相位变化,这在一些电路中是有意利用的,例如在振荡器和滤波器中。

电压调节:电容可以被用来调节电路的电压水平,特别是在稳压电源电路中。

脉冲耦合:电容在数字电路中用于传输脉冲信号,连接逻辑门和存储器元件。

降噪:电容可以被用来减小信号中的噪声,特别是在模拟电路和传感器接口电路中。

其中,对于储能我已经多次详细讲过,不妨再重复一次。对于电容的储能效果可以描述如下。

不降低于 IC 的最低工作电压,以保证工作安定。

结论:此时的备用电容相当于小池塘的功能。类似于庄稼需要水灌溉,如果只有远处的水库水源充足,那么当干旱严重时,远水解不了近渴,庄稼可能枯萎。

但是,如果庄稼旁边有小池塘,那么,但干旱严重时,可以先通过小池塘来应急,保证庄稼稳定生长,待水库水源过来时,在大规模补充。

其中,庄稼相当于图中的芯片;

干旱严重相当于要求大电流;

小池塘就是电容;水库指的是远处的电源模块。

二        

然后,电容的主要分类有陶瓷电容,钽电容,贴片电容和电解电容等。

而这当中,0.1μF可以说是所有电路设计中最重要最普遍的存在。

我们随便举几个例子,

0.1uf陶瓷电容器非常适合滤除1KHz以上的噪声。电源尖峰和其他噪声可能会导致项目中发生各种奇怪的事情,因此拥有其中的一些应该会有所帮助!该专用电容器的额定电压为0.1uF和50V。将它们放置在所有IC上VCC引脚旁边,以提高稳定性。

无论是在原理图,或者PCB,又或者BOM中,都非常常见。

比如原理图中,

在比如PCB中,电容尤其是0.1uf的电容应用也相当广泛。

当时被我们当作万精油的0.1uf电容,也不要什么地方都用。

因为,根据电容的阻抗-频率的特性曲线

电容在高频范围内,不再是一个单纯的电容,还会有电感的特性成分。具体来说,谐振点有两条曲线交会而成,左边取决于电容器件的容量C,右边取决于电容器件的ESL. 基于这个原因,在高频时,0.1uf的电容就不单单是电容了,还要考虑其电感的影响。

知道这一点后,那高频该如何选择呢?多少频率范围算是高频呢?我们就可以参考上图,或者网上找更全面的电容值和自谐振频率对照表来加以参考。

透过这张表,也能看出,电容的应用也跟工作的场景及频率范围有密切的关系,不能一刀切的应用。

三、电路设计电容使用误区总结

在硬件电路设计中,电容是一个常用的元件,用于各种目的,比如滤波、稳压、耦合等。

主要的使用误区如下

过度依赖电容解决问题:

误区: 很多时候,可能过度依赖电容来解决电路中的问题,而不去深入分析问题的根本原因。

建议:在使用电容之前,应该仔细分析电路的需求和问题,确保电容是解决方案的一部分,而不是仅仅通过增加电容来"试图"解决问题,可以通过PI仿真等解决问题。

随意增加电容容值:

误区:有时,设计者可能会随意增加电容的容值,认为越大越好。

建议:电容容值的选择应该基于对电路需求的深刻理解。选择适当的容值,以平衡性能和成本。

忽视等效串联电阻:

误区:电容在实际中总是伴随着等效串联电阻,有时设计者可能忽视这个电阻的影响。

建议:在设计中考虑电容的等效串联电阻,特别是在高频应用中,以免影响电路的性能。

忽略电容的ESR(等效串联电阻):

误区:对于涂层陶瓷电容等低成本电容,设计者可能忽略了电容的ESR,而ESR的高低对于某些应用至关重要。

建议:在高频或需要较低ESR的应用中,选择适当类型的电容,比如铝电解电容或固态电解电容。

未考虑电容的温度特性:

误区:对电容的温度特性缺乏足够的考虑,可能导致在不同温度下性能变化较大。

建议:对于温度敏感的应用,选择具有较低温度系数的电容,并在设计中考虑温度对电容性能的影响。

不考虑电容的耐压特性:

误区:未充分考虑电容的耐压特性,特别是在高压环境下。

建议:在高压环境中,选择具有足够耐压特性的电容,以防止电容击穿和损坏。

忽视电容的寿命和稳定性:

误区:忽视电容的寿命和稳定性,可能导致电路在长时间运行后性能下降。尤其是电解电容

建议:在长寿命应用中,选择寿命长、稳定性好的电容,以确保电路的可靠性。

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启芯硬件

简介:资深硬件工程师, 拥有10+项专利及集成电路布图专有权。