電容應用于電源電路和信號電路的作用

　　電容作為重要的無源元件，應用十分廣泛。本文將介紹電容應用于電源電路，實現旁路、去藕、濾波和儲能方面電容的作用，以及電容應用于信號電路，完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用詳解。

　　作為無源元件之一的電容，其作用不外乎以下幾種：

　　1、應用于電源電路，實現旁路、去藕、濾波和儲能方面電容的作用，下面分類詳述之：

　　1）濾波

　　濾波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會用到。從理論上（即假設電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1uF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增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容，這時大電容通低頻，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，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000uF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。

　　曾有網友將濾波電容 比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。 它把電壓的變動轉化為電流的變化，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。

　　2）旁路

　　旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放 電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負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致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大 電流毛刺時的電壓降。

　　3）去藕

　　去藕，又稱解藕。從電路來說，總是可以區(qū)分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上 升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會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，會產生反彈），這種電流相對 于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作。這就是耦合。去藕電容就是起到一個電池的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，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，根據諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10uF或者更大，依據電路中分布參數，以及驅動 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。這應該是他們的本質區(qū)別。

　　4）儲能

　　儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲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。根據不同的電源要求，器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式， 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。

　　2、電容應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用：

　　1）耦合

　　舉個例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個電阻就是產生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端并聯一個電容，由于適當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生的耦合效應，故稱此電容為去耦電容。

　　2）振蕩/同步

　　包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。

　　3）時間常數

　　這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，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）

　　我們知道了電容的作用以后下面來談談電容在使用中的注意事項

　　A. 什么是好電容。

　　1.電容容量越大越好。

　　很多人在電容的替換中往往愛用大容量的電容。我們知道雖然電容越大，為IC提供的電流補償的能力越強。且不說電容容量的增大帶來的體積變大，增加成本的同時還影響空氣流動和散熱。關鍵在于電容上存在寄生電感，電容放電回路會在某個頻點上發(fā)生諧振。在諧振點，電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小，補充能量的效果也最好。但當頻率超過諧振點時，放電回路的阻抗開始增加，電容提供電流能力便開始下降。電容的容值越大，諧振頻率越低，電容能有效補償電流的頻率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來說，電容越大越好的觀點是錯誤的，一般的電路設計中都有一個參考值的。

　　2.同樣容量的電容，并聯越多的小電容越好

　　耐壓值、耐溫值、容值、ESR（等效電阻）等是電容的幾個重要參數，對于ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關系。當電壓固定時候，容量越大，ESR越低。在板卡設計中采用多個小電容并連多是出與PCB空間的限制，這樣有的人就認為，越多的并聯小電阻，ESR越低，效果越好。理論上是如此，但是要考慮到電容接腳焊點的阻抗，采用多個小電容并聯，效果并不一定突出。

　　3.ESR越低，效果越好。

　　結合我們上面的提高的供電電路來說，對于輸入電容來說，輸入電容的容量要大一點。相對容量的要求，對ESR的要求可以適當的降低。因為輸入電容主要是耐壓，其次是吸收MOSFET的開關脈沖。對于輸出電容來說，耐壓的要求和容量可以適當的降低一點。ESR的要求則高一點，因為這里要保證的是足夠的電流通過量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR電容會引起開關電路振蕩。而消振電路復雜同時會導致成本的增加。板卡設計中，這里一般有一個參考值，此作為元件選用參數，避免消振電路而導致成本的增加。

　　4.好電容代表著高品質。

　　“唯電容論”曾經盛極一時，一些廠商和媒體也刻意的把這個事情做成一個賣點。在板卡設計中，電路設計水平是關鍵。和有的廠商可以用兩相供電做出比一些廠商采用四相供電更穩(wěn)定的產品一樣，一味的采用高價電容，不一定能做出好產品。衡量一個產品，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。

　　B. 電容爆漿之面面談

　　爆漿的種類：分兩類，輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。

　　對于輸入電容來說，就是我是說的C1，C1對由電源接收到的電流進行過濾。輸入電容爆漿和電源輸入電流的品質有關。過多的毛刺電壓，峰值電壓過高，電流不穩(wěn)定等都使電容過于充放電過于頻繁，長時間處于這類工作環(huán)境下的電容，內部溫度升高很快。超過泄爆口的承受極限就會發(fā)生爆漿。

　　對于輸出電容來說，就我說的C2，對經電源模塊調整后的電流進行濾波。此處電流經過一次過濾，比較平穩(wěn)，發(fā)生爆漿的可能性相對來說小了不少。但如果環(huán)境溫度過高，電容同樣容易發(fā)生爆漿。爆，報也。采用垃圾東西自然要爆，報應啊。欲知過去因者，見其現在果;欲知未來果者，見其現在因。

　　電解電容爆漿的原因：

　　電容爆漿的原因有很多，比如電流大于允許的穩(wěn)波電流、使用電壓超出工作電壓、逆向電壓、頻繁的充放電等。但是最直接的原因就是高溫。我們知道電容有一個重要的參數就是耐溫值，指的就是電容內部電解液的沸點。當電容的內部溫度達到電解液的沸點時，電解液開始沸騰，電容內部的壓力升高，當壓力超過泄爆口的承受極限就發(fā)生了爆漿。所以說溫度是導致電容爆漿的直接原因。電容設計使用壽命大約為2萬小時，受環(huán)境溫度的影響也很大。電容的使用壽命隨溫度的增加而減小，實驗證明環(huán)境溫度每升高10℃，電容的壽命就會減半。主要原因就是溫度加速化學反應而使介質隨時間退化失效，這樣電容壽命終結。為了保證電容的穩(wěn)定性，電容在插板前要經過長時間的高溫環(huán)境的測試。即使是在100℃，高品質的電容也可以工作幾千個小時。同時，我們提到的電容的壽命是指電容在使用過程中，電容容量不會超過標準范圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問題，而不是設計壽命到達之后就發(fā)生爆漿。只是無法保證電容的設計的容量標準。

　　所以，短時期內，正常使用的板卡電容就發(fā)生爆漿的情況，這就是電容品質問題。另外，不正常的使用情況也有可能發(fā)生電容爆漿的情況。比如熱插拔電腦配件也會導致板卡局部電路電流、電壓的劇烈變化，從而引發(fā)電容使用故障。