我们在电源滤波电路上可以看到各种各样的电容,比如100uF、10uF、100nF、10nF不同的容值。那么,这些参数是如何确定的呢?

 

数字电路要运行稳定可靠,电源一定要“干净”,并且能量补充一定要及时,也就是滤波去耦一定要好。什么是滤波去耦?简单地说,就是在芯片不需要电流的时候存储能量,在需要电流的时候又能及时地补充能量。

 

有读者看到这里会说,这个职责不是DC/DC、LDO的吗?对,在低频的时候它们可以搞定,但高速的数字系统就不一样了。

 

下面,我们先来看看电容。

 

电容的作用,简单来说就是存储电荷。我们都知道,在电源中要加电容滤波,在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。但是,怎么有些板子芯片的电源脚旁边的电容是0.1uF或者0.01uF的,这里有什么讲究吗?

 

要搞懂这个问题,就要先了解电容的实际特性。理想的电容它只是一个电荷的存储器,即C。而实际制造出来的电容,却不是那么简单了。分析电源完整性的时候,我们常用的电容模型如图1所示:

 

图1


在图1中,ESR是电容的串联等效电阻,ESL是电容的串联等效电感,C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的,没办法消除。那么,这两个东西对电路有什么影响呢?ESR影响电源的纹波,ESL影响电容的滤波频率特性。

 

我们知道:

电容的容抗:
Zc=1/ωC

 

电感的感抗:
Zl=ωL,ω=2πf

 

实际电容的复阻抗为:
Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πf L-1/j2πf C

 

可见,当频率很低的时候,是电容在起作用;而频率高到一定程度时,电感的作用就不可忽视了;再高的时候,电感就起主导作用了,电容就失去滤波的作用了。所以记住,高频的时候,电容就不是单纯的电容了。实际电容的滤波曲线如图2所示:

 

图2

 

如上面所述,电容的等效串联电感是由电容的制造工艺和材料决定的。实际的贴片陶瓷电容,ESL从零点几nH到几个nH不等,封装越小,ESL就越小。

 

从图2可以看出,电容的滤波曲线并不是平坦的,它像一个V。也就是说,有选频特性。有时候,我们希望它越平越好(前级的板级滤波);而有时候,则希望它越尖越好(滤波或陷波)。

 

影响这个特性的,就是电容的品质因素Q:
Q=1/ωCESR

 

ESR越大,Q就越小,曲线就越平坦。反之,ESR越小,Q就越大,曲线就越尖。

 

通常情况下,钽电容和铝电解有比较小的ESL,而ESR大,所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围,非常适合前级的板级滤波。也就是说,在DC/DC或者LDO的输入级,常常用较大容量的钽电容来滤波。而在靠近芯片的地方,放一些10uF和0.1uF的电容来去耦,陶瓷电容有很低的ESR。

 

说了这么多,到底在靠近芯片的管脚处放置0.1uF,还是0.01uF呢?下面列出来给大家参考:

 


所以,以后不要见到什么都放0.1uF的电容。有的高速系统中,这些0.1uF的电容根本就起不了作用。