【導(dǎo)讀】當(dāng)你在選擇電容時(shí)，面對(duì)形形色色的該如何選擇呢？筆者分別來(lái)談一談常見(jiàn)的一些電容和其普遍的適用范圍。注意:電容種類(lèi)實(shí)在太多，所以這里只會(huì)涉及微電子電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)電容的使用的。譬如那些什么可變電容，超級(jí)電容等等暫時(shí)先不會(huì)覆蓋到。
筆者分別來(lái)談一談常見(jiàn)的一些電容和其普遍的適用范圍。注意:電容種類(lèi)實(shí)在太多，所以這里只會(huì)涉及微電子電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)電容的使用的。
當(dāng)你在選擇電容時(shí)，面對(duì)形形色色的該如何選擇呢？筆者分別來(lái)談一談常見(jiàn)的一些電容和其普遍的適用范圍。注意:電容種類(lèi)實(shí)在太多，所以這里只會(huì)涉及微電子電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)電容的使用的。譬如那些什么可變電容，超級(jí)電容等等暫時(shí)先不會(huì)覆蓋到。
Ceramic Capacitor(陶瓷電容-無(wú)極性電容):
Pros：低ESR，很好的高頻特性，穩(wěn)定性高，溫度系數(shù)小。Cons:電容值相對(duì)較低(幾pF to 幾十uF)，脆弱易受損，電容值受電壓影響較大
陶瓷電容幾乎是目前使用最最多的一種電容，常見(jiàn)用于去耦，信號(hào)耦合和模擬濾波器設(shè)計(jì)等等。現(xiàn)在工藝越來(lái)越好，大容值的陶瓷電容也能買(mǎi)到，只不過(guò)價(jià)錢(qián)相對(duì)較高。現(xiàn)在通常PCB的密度很高尺寸小，尤其是消費(fèi)電子，很少會(huì)再見(jiàn)到使用leaded cap，常用的封裝目前來(lái)說(shuō)幾乎都是貼片的。由于制作工藝的限制，低ESR電容的容值一般不會(huì)太高。
Electrolytic capacitor(電解電容-有極性電容):
Pros：高容值，相對(duì)便宜，不易受損，電容值受電壓影響小。Cons:高ESR，ESL，很差的高頻特性，穩(wěn)定性低，溫度系數(shù)高
電解電容在電源電路里是很常見(jiàn)的，通常電容值比較大，從幾個(gè)uF到幾千uF的容值你都可以找的到。因?yàn)槠涓呷葜担哳l特性差的特點(diǎn)(通常< 100kHz)，常被用作輸入電源的去耦穩(wěn)壓。要注意的是這里的電源不是指的芯片的Vdd或者Vcc，我所指的是比如你 PCB 的power總電源模塊，例如一個(gè)5V的DC輸入到一個(gè)Buck converter轉(zhuǎn)成3.3V的DC給你PCB上其他各種芯片供電，通常電解電容是被接在這個(gè)5V電源和ground之間的。
上圖是我簡(jiǎn)單畫(huà)的一個(gè)常用的電源模塊設(shè)計(jì)，假如5V是整個(gè)PCB的總電源，一般這個(gè)電源后面放的去耦電容會(huì)使用電解電容，因?yàn)樵谶@個(gè)位置我們通常不會(huì)太過(guò)多關(guān)注高頻去耦，所以可以用相對(duì)較低的價(jià)錢(qián)得到一個(gè)較大的電容來(lái)去耦穩(wěn)壓。講到這里，可能有人會(huì)問(wèn)，我可以用陶瓷電容來(lái)替代這個(gè)電解電容嗎？可以，也不可以。再解釋這個(gè)之前，我們先來(lái)講一下兩種電容的容值v.s.電壓的關(guān)系。看下圖
這是我隨便從Murata的一個(gè)陶瓷電容的datasheet上面截的一個(gè)電容變化v.s.電壓的plot。很明顯的可以看出來(lái)電容的值對(duì)于對(duì)其所加的電壓不是一個(gè)恒定的值，也就是說(shuō)對(duì)于上面這個(gè)電容，10V的時(shí)候電容值是0.1uF而電壓變?yōu)?0V時(shí)其實(shí)只有0.05uF。而電解電容的有點(diǎn)就在于它比陶瓷電容有更小的voltage dependency。其實(shí)電容值不僅僅會(huì)跟隨電壓變化而變化，還會(huì)根據(jù)溫度的變化而變化，在這一點(diǎn)上電解電容是不如陶瓷電容的。從DFM(Design for manufacturability)和reliability的角度來(lái)說(shuō)，電解電容一般都比較大，對(duì)于集成度超高的PCB很難fit進(jìn)去。電解電容比陶瓷電容對(duì)物理?yè)p壞的抗性要高得多，尤其是在flex pcb上，陶瓷電容很容易受切損。但是在reliability上講，陶瓷電容卻又比電解電容要好。
電解電容其實(shí)是一個(gè)大類(lèi)，常見(jiàn)的是鋁電解電容。還有鉭電解電容等等。比如鉭電容，它改善了鋁電解電容的一些缺點(diǎn)，其容值密度更高，有更好的高頻特性，更reliable。但是！鉭電容對(duì)于反向電壓的容忍性極差，如果電壓反向了或所加電壓高于額定電壓會(huì)很容易"爆"。
Decoupling Cap and PCB Layout
電容的頻響特征，決定其頻響特征的是ESR，ESL，和本身的C。在日常設(shè)計(jì)中，對(duì)layout比較critical的電容通常是去耦電容。常見(jiàn)的去耦電容使用都是一個(gè)大的+一個(gè)小的，因?yàn)槿葜敌〉碾娙萜毡橛懈〉腅SR，ESL，意味著在高頻它整體看上去仍然會(huì)像一個(gè)電容而不是電感。這樣的話就可以彌補(bǔ)大電容所覆蓋不到的高頻。正如下圖所示，把一個(gè)100nF和一個(gè)1nF的阻抗頻率特征曲線放在一起整體容性可以覆蓋到將近200MHz，而單單100nF只能大概到20MHz。
所以最基本的PCB layout rule，把去耦電容放的離你芯片的pin越近越好，因?yàn)橐ＷCPCB trace的寄生電阻，電感最小，這不僅僅是從Power到電容，還包括電容到ground!其次，放置電容時(shí)要遠(yuǎn)離噪聲高的或者高頻數(shù)字信號(hào)的線路。
對(duì)于微電子設(shè)計(jì)，可以說(shuō)這兩類(lèi)電容幾乎覆蓋了平時(shí)所用到電容的90%以上。(其實(shí)我目前為止也很少接觸其他種類(lèi)電容)。當(dāng)然了，如果你有興趣了解其他電容，網(wǎng)上有很多信息可以去看，無(wú)非就是性能上的差別。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)時(shí)要把之前所提到不同電容的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)考慮進(jìn)去，想想這些優(yōu)缺點(diǎn)加進(jìn)去會(huì)對(duì)你的電路造成什么樣的影響？影響具體是多少？想明白了你才能做出正確的決定，從而選到一個(gè)最合適的電容。
留幾個(gè)我面試時(shí)關(guān)于電容常問(wèn)的問(wèn)題
1、為什么容值較大的陶瓷電容在加上電壓工作時(shí)會(huì)發(fā)出聲音？比如DC-DC converter的output capacitor。
2、如下圖所示，電容C是一個(gè)常見(jiàn)的陶瓷電容(非理想器件)，容值為C=100nF，ESR=30mΩ，ESL=1nH，Rated Voltage為5V。電流源I為理想電流源。[Hints:請(qǐng)考慮一切可能發(fā)生的事情]
在T=0時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，請(qǐng)解釋從T=0開(kāi)始電容兩端電壓的變化，容值的變化。畫(huà)出經(jīng)過(guò)電容C的電流和兩端的電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線。 如果下圖理想電流源換成理想電壓源V=3V，請(qǐng)問(wèn)電容充電到99%需要多長(zhǎng)時(shí)間？
還是使用理想電壓源對(duì)這個(gè)電容C充電充到電壓V1。根據(jù)公式，儲(chǔ)存在電容上的總能量為E=½CV²，而C=Q/V，所以E=½QV。但是理想電壓源輸出的總能量P=QV。為什么充電后到達(dá)電容C的能量只有一半？
再進(jìn)階一點(diǎn)問(wèn)題，有什么方法可以將充電的能量損失降低到接近零？
