電容器的應用
2017-5-16 18:06:15??????點擊：
電容是電子設備中大量使用的電子元件之一，廣泛應用于隔直、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換、控制電路等方面。用 C 表示電容，電容的基本單位法拉（F），除此還有 微法拉（μ F）、納法拉（nF）、皮法拉（pF），1F = 106μF = 109nF = 1012pF。
初識電容
電容種類繁多，這里隨便貼幾種，共大家欣賞，實物圖如圖 3-3 所示。
電容的用途
電容種類繁多，應用甚廣。筆者就以幾個實例拋出問題，再舉例著重講述電解電容和瓷 片電容在電路中的儲能、濾波和去耦等功能。
（1）使用吸塵器時收音機會出現“啪啦、啪啦”的雜音，原因是吸塵器的馬達產生的 微弱（低強度高頻）電壓/電流變化通過電源線傳遞進入收音機，以雜音的形式出現，將這 種干擾稱之為“傳導干擾”。
（2）當摩托車從附近道路通過時，電視機會出現雪花狀干擾。這是因為摩托車點火裝
置的脈沖電流產生了電磁波，傳到空間再傳給附近的電視天線、電路上。將這種干擾稱之 為“輻射干擾”。
（3）冬天的時候，特別是在北方比較干燥的城市，晚上睡覺脫衣服時，經常會看到衣 服有“火花”，實際上這是“靜電放電”現象，稱之為 ESD。如果此時你用手觸摸一些電子元件，說不定會電擊毀這些元器件，因為電壓有 3~5KV 之高。電壓隨高，但電量很少，所 以對人體危害不大。
（4）開空調時，室內的熒光燈會出現瞬時變暗的現象，這是因為大量電流流向空調， 電壓急速下降，利用統一電源的熒光燈受到影響，這種電壓突然驟降的“浪涌”現象，稱 之為 Surge。
為了研究、解決以上這些問題，后來發展起來了一門學科 EMC。若想更深入了解，讀 者可以去研讀一下鄭軍奇的《EMC 電磁兼容設計與測試案例分析》，有些例子相當經典。這 里順便為讀者擴展幾個概念，希望讀者能夠了解。
（1）去耦。當器件高速開關時，把射頻能量從高頻器件的電源端泄放到電源分配網絡。 去耦電容也為器件和元件提供一個局部的直流源，這對減小電流在板上傳播浪涌尖峰很有 作用。
（2）旁路。把不必要的共模 RF 能量從元件或線纜中泄放掉。它的實質是產生一個交 流支路來把不需要的能量從易受影響的區域泄放掉。另外，它還提供濾波功能（帶寬限制）， 有時籠統地稱為濾波。
（3）儲能。當所用的信號腳在最大容量負載下同時開關時，用來保持提供給器件恒定 的直流電壓和電流。它還能阻止由于元件 di/dt 電流浪涌而引起的電源跌落。如果說去耦是 高頻的范疇，那么儲能可以理解為是低頻范疇。
電容的選擇。選擇旁路電容和去耦電容時，并非取決于電容值和大小，而是電容的自 諧振頻率，并與所需旁路式去耦的頻率相匹配。在自諧振頻率以下電容表現為容性，在自 諧振頻率以上電容變為感性，這將會減小 RF 去耦功能。再看看常用的兩種瓷片電容的自諧 振頻率，如表 3-1 所示。
表 3-1 瓷片電容的封裝與自諧振頻率的關系
綜上可得，使用去耦電容最重要的一點就是電容的引線電感。表貼電容比插件電容高 頻時有很好的效能，就是因為它的引線電感很低。
并聯電容。若有些電路中濾波效果不好，可以采用并聯電容的方式來增加濾波效果， 但不是隨意的增加并聯的個數或隨意放置幾個電容，這樣只會浪費材料。
一般原則是并聯的電容必須有不同的數量級（例如 0.1μF 和 1nF），這個數量級最好是兩個或 100 倍。
（4）濾波。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要
措施，通俗點講就是將想要的留下，不想要的統統干掉。
實例解說儲能和濾波
這個例子就是飛天一號（MGMC-V1.0）開發板上的 USB 轉串口電路（CH340T），電路如圖 3-4 所示。
圖 3-4 USB 下載和外擴電源接口電路圖 殘弈悟恩也毫不隱諱的告訴大家，在調試這個電路時真是花了不少時間，或許是水平
太低、或許是想做得更好。接下來簡述上述電路調試心得。
問題一：單片機 P3.0 一直為高，單片機根本拉不低，導致電路開關作用不大。 解決方法，實際測試發現該引腳一直為高，就是取了單片機芯片也為高，說明問題肯
定在 U10 身上，最后一看數據手冊，確實默認為高，所以反接了一個 D9（1N4148），不知讀 者還能否記得二極管的單向導電特性，最后問題順利得到解決。
問題二：在關閉電源的情況下，電源指示燈 D11 會微微發亮。解決辦法，結合數據手冊和測試發現，U10 的 4 引腳有 2V 多的電壓，所以才會發亮，
因而在 4 引腳上串聯了一個 100Ω 的電阻，以做限流、分壓用。
問題三：COM 口要么直接發現不了，要么發現之后一開電源就不見了。 原因分析，殘弈悟恩在一開始設計電路時，根本沒有 C10、C20、E3 這三個電容，不加，
當然不是為了節省成本，而是太想當然了，在這里慎重的向讀者說聲：對不起！殘弈悟恩 錯了。最后拿示波器測試發現，板子上電的這一瞬間，“+5V”這個端子的電壓變化如圖 3-5 所示，接著再看 CH340T 的數據手冊，其中電源 VCC 的要求如圖 3-6 所示。
圖 3-5 未接電容時 CH340T 電源端子電壓的變化圖
圖 3-6 CH340 的 VCC 要求規格數
依圖 3-5 可知，在開發板上電的瞬間，“+5V”端子的電壓會掉到 4V 甚至 4V 以下，而要求是最小 4.5V，這樣的設計沒問題才怪呢！這與開空調時室內熒光燈變暗原理類似。為 解決這個問題，前面提到的“儲能”就很有用了。殘弈悟恩憑著經驗加了一個 C10（0.1μF）、 一個 E3（220μF）的電解電容，為該電源網絡濾波、儲能。所謂的儲能過程就是接通 USB 時， 則會給 E3 電容充電，接著當打開電源開關時，由于后面的負載會拉低這個電源電壓，此時若“+5V”端子的電壓低于 E3 兩端的電勢，則 E3 就會放電，來彌補這個電壓。這時測試發 現，電壓還是會有變化，最小值為：4.8V，4.8V（4.8V》4.5V）肯定是滿足了設計要求， 這 樣問題就可得以解決。
紋波（Ripple）是指在直流電壓中疊加的交流成分。直流穩定電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的，這就不可避免地在直流穩定量中多少帶有一些交流成份，這 種疊加在直流穩定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復雜，它的形態一般為頻率高于工頻（指工業上用的交流電源的頻率）的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很 窄的脈沖波。對于不同的場合，對紋波的要求各不一樣。
或許這么說，讀者聽起來有些吃力，那就舉個理解。大海，理論上是一個很平靜的水 面（直流），但由于大風的作用，總是波浪起伏（交流）。這里的波浪就是基于海平面上的 “紋波”，它總是疊加于海平面（直流）之上，小則沒事，大則覆舟。對于紋波，不同的電 源、不同的電路設計、不同的方案，可能要求不同。例如對于電源電壓來說，5V 的電源一般要求的紋波不能超過 100mV；DC-DC 電壓（產生 5V 的電壓），輸入端紋波不能超過 120mV， 輸出端紋波不能超過 50mV。讀者這里說的是對于機頂盒電源的要求，當然產品不同，或許 對于要求會不同。但對于單片機設計來說，這樣的要求肯定能滿足系統要求。
之后測試+5V 的紋波。由圖可知 Δ V（紋波）為 484mV，顯然高于 要求（100mV），并且由圖可知紋波頻率小于 10Hz，由表 3-1 可知，沒有必要采用容值較小 的瓷片電容來增加濾波效果，可以通過加大電解電容來增加濾波，最后將 220μF 的電容換 成了 470μF，紋波測試如圖 3-8 所示，此時紋波為 80.8mV，小于 100mV，滿足要求。其實 對于設計電路來說，設計到這里就可以結束了，但是為了滿足殘弈悟恩的“虛榮心”，又在 C10 上并接了一個 C20（10μF 瓷片電容），接著測試紋波，如圖 3-9 所示，此時紋波為 21.6mV，可能有人會說這是浪費，這個就依情況而定了。
圖 3-7 接了 220μF 濾波電容之后的紋波圖
圖 3-8 接了 470μF 濾波電容之后的紋波圖
圖 3-9 并接了 10μF 電容之后的紋波圖
結合上面的圖文，大家應該能夠理解電容的儲能和濾波作用，這樣便可為以后的設計積累經驗。
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