電容非理想特性淺析.ppt

內(nèi)容簡介 一 認(rèn)識(shí)電容二 電容分類三 電容作用四 電容特性五 電容應(yīng)用 認(rèn)識(shí)電容 什么是電容 電容 Capacitance 是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量 我們把電容器的兩極板間的電勢(shì)差增加1伏所需的電量 叫做電容器的電容 一般來說 電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng) 當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì) 則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上 造成電荷的累積儲(chǔ)存 最常見的例子就是兩片平行金屬板 電容的分類 鋁電解電容器 它是由鋁圓筒做負(fù)極 里面裝有液體電解質(zhì) 插人一片彎曲的鋁帶做正極制成 還需經(jīng)直流電壓處理 做正極的片上形成一層氧化膜做介質(zhì) 其特點(diǎn)是容量大 但是漏電大 穩(wěn)定性差 有正負(fù)極性 適于電源濾波或低頻電路中 使用時(shí) 正 負(fù)極不要接反 電容的分類 鉭鈮電解電容器 它用金屬鉭或者鈮做正極 用稀硫酸等配液做負(fù)極 用鉭或鈮表面生成的氧化膜做介質(zhì)制成 其特點(diǎn)是 體積小 容量大 性能穩(wěn)定 壽命長 絕緣電阻大 溫度性能好 用在要求較高的設(shè)備中 電容的分類 傳統(tǒng)的看法是鉭電容性能比鋁電容好 因?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽極氧化后生成的五氧化二鉭 它的介電能力 通常用 表示 比鋁電容的三氧化二鋁介質(zhì)要高 因此在同樣容量的情況下 鉭電容的體積能比鋁電容做得更小 電解電容的電容量取決于介質(zhì)的介電能力和體積 在容量一定的情況下 介電能力越高 體積就可以做得越小 反之 體積就需要做得越大 再加上鉭的性質(zhì)比較穩(wěn)定 所以通常認(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好 電容的分類 陶瓷電容器 用陶瓷做介質(zhì) 在陶瓷基體兩面噴涂銀層 然后燒成銀質(zhì)薄膜作極板制成 其特點(diǎn)是 體積小 耐熱性好 損耗小 絕緣電阻高 但容量小 適用于高頻電路 電容的分類 薄膜電容器 介質(zhì)是滌綸或聚苯乙烯 滌綸薄膜電容 介質(zhì)常數(shù)較高 體積小 容量大 穩(wěn)定性較好 適宜做旁路電容 聚苯乙烯薄膜電容器 介質(zhì)損耗小 絕緣電阻高 但溫度系數(shù)大 可用于高頻電路 電容的分類 云母電容器 介質(zhì)損耗小 絕緣電阻大 溫度系數(shù)小 適用于高頻電路 紙介電容器 體積較小 容量可以做得較大 適用于低頻電路 超級(jí)電容器 可以存儲(chǔ)非常高的能量并且可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放 電力電子電容器 用來轉(zhuǎn)換和控制功率的儲(chǔ)能元件 需要處理很高的電流和很高的電壓變化速率 1 隔直流 作用是阻止直流通過而讓交流通過 2 旁路 去耦 為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路 3 耦合 作為兩個(gè)電路之間的連接 允許交流信號(hào)通過并傳輸?shù)较乱患?jí)電路4 濾波 顯卡上的電容基本都是這個(gè)作用 5 溫度補(bǔ)償 針對(duì)其它元件對(duì)溫度的適應(yīng)性不夠帶來的影響 而進(jìn)行補(bǔ)償 改善電路的穩(wěn)定性 電容的用途 6 計(jì)時(shí) 電容器與電阻器配合使用 確定電路的時(shí)間常數(shù) 7 調(diào)諧 對(duì)與頻率相關(guān)的電路進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)諧 比如手機(jī) 收音機(jī) 電視機(jī) 8 整流 在預(yù)定的時(shí)間開或者關(guān)半閉導(dǎo)體開關(guān)元件 9 儲(chǔ)能 儲(chǔ)存電能 用于必須要的時(shí)候釋放 例如相機(jī)閃光燈 加熱設(shè)備等等 電容用途 說到電容 各種各樣的叫法就會(huì)讓人頭暈?zāi)垦?旁路電容 去耦電容 濾波電容等等 其實(shí)無論如何稱呼 它的原理都是一樣的 即利用對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗的特性 這一點(diǎn)可以通過電容的等效阻抗公式看出來 Xcap 1 2 fC 工作頻率越高 電容值越大則電容的阻抗越小 在電路中 如果電容起的主要作用是給交流信號(hào)提供低阻抗的通路 就稱為旁路電容 如果主要是為了增加電源和地的交流耦合 減少交流信號(hào)對(duì)電源的影響 就可以稱為去耦電容 如果用于濾波電路中 那么又可以稱為濾波電容 除此以外 對(duì)于直流電壓 電容器還可作為電路儲(chǔ)能 利用沖放電起到電池的作用 電容特性 對(duì)于理想的電容器來說 不考慮寄生電感和電阻的影響 那么我們?cè)陔娙菰O(shè)計(jì)上就沒有任何顧慮 電容的值越大越好 電容特性 但實(shí)際情況卻相差很遠(yuǎn) 并不是電容越大對(duì)高速電路越有利 反而小電容才能被應(yīng)用于高頻 理解這個(gè)問題 我們首先必須了解實(shí)際電容器本身的特性 可以看到實(shí)際的電容器要比理想的電容復(fù)雜的多 除了包含寄生的串聯(lián)電阻Rs ESR 串聯(lián)電感Ls ESL 還有泄漏電阻Rp 介質(zhì)吸收電容Cda 和介質(zhì)吸收電阻Rda等 等效串聯(lián)電阻Rs 電容器的等效串聯(lián)電阻是由電容器的引腳電阻與電容器兩個(gè)極板的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的 當(dāng)有大的交流電流通過電容器 Rs使電容器消耗能量 從而產(chǎn)生損耗 這對(duì)射頻電路和載有高波紋電流的電源去耦電容器會(huì)造成嚴(yán)重后果 但對(duì)精密高阻抗 小信號(hào)模擬電路不會(huì)有太大的影響 Rs最低的電容器是云母電容器和薄膜電容器 電容特性 等效串聯(lián)電感Ls 電容器的等效串聯(lián)電感是由電容器的引腳電感與電容器兩個(gè)極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的 像Rs一樣 Ls在射頻或高頻工作環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題 其原因是用于精密模擬電路中的晶體管在過渡頻率 Transitionfrequencies 擴(kuò)展到幾百兆赫或幾G赫的情況下 仍具有增益 可以放大電感值很低的諧振信號(hào) 這就是在高頻情況下對(duì)這種電路的電源端要進(jìn)行適當(dāng)去耦的主要原因 電容特性 等效并聯(lián)電阻Rp 就是我們通常所說的電容器泄漏電阻 在交流耦合應(yīng)用 存儲(chǔ)應(yīng)用 例如模擬積分器和采樣保持器 以及當(dāng)電容器用于高阻抗電路時(shí) Rp是一項(xiàng)重要參數(shù) 理想電容器中的電荷應(yīng)該只隨外部電流變化 然而實(shí)際電容器中的Rp使電荷以RC時(shí)間常數(shù)決定的速率緩慢泄漏 電容特性 電容特性 對(duì)電容的高頻特性影響最大的則是Rs和Ls 我們通常采用圖中簡化的實(shí)際模型 電容可以看成是一個(gè)串聯(lián)的等效電路 其等效阻抗和串聯(lián)謝振頻率分別為 電容特性 當(dāng)它在低頻的情況 諧振頻率以下 表現(xiàn)為電容性的器件 而當(dāng)頻率增加 超過諧振頻率 的時(shí)候 它漸漸的表現(xiàn)為電感性的器件 也就是說它的阻抗隨著頻率的增加先增大后減小 等效阻抗的最小值發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率是 這時(shí)候 電容的容抗和感抗正好抵消 表現(xiàn)為阻抗大小恰好等于寄生串聯(lián)電阻Rs 電容特性 描述曲線的銳度可以用品質(zhì)因素Q值來表示 即Q越大 諧振頻率曲線越尖 能量衰減的越慢 它主要和ESL和ESR的比值有關(guān)Q Ls Rs 電容特性 電容特性 電容特性 電容特性 電容特性 電容特性 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 電源噪聲從表現(xiàn)形式上來看可以分為三類 同步開關(guān)噪聲 SSN 有時(shí)被稱為 i噪聲 非理想電源阻抗影響 諧振及邊緣效應(yīng) 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 對(duì)于一個(gè)理想的電源來說 其阻抗為零 在平面任何一點(diǎn)的電位都是保持恒定的 等于系統(tǒng)供給電壓 然而實(shí)際的情況并不如此 而是存在很大的噪聲干擾 甚至有可能影響系統(tǒng)的正常工作 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 電源平面其實(shí)可以看成是由很多電感和電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò) 也可以看成是一個(gè)共振腔 在一定頻率下 這些電容和電感會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象 從而影響電源層的阻抗 隨著頻率的增加 電源阻抗是不斷變化的 尤其是在并聯(lián)諧振效應(yīng)顯著的時(shí)候 電源阻抗也隨之明顯增加 電源平面和地平面的邊緣效應(yīng)同樣是電源設(shè)計(jì)中需要注意的問題 這里說的邊緣效應(yīng)就是指邊緣反射和輻射現(xiàn)象 也可以列入EMI討論的范疇 如果抑制了電源平面上的高頻噪聲 就能很好的減輕邊緣的電磁輻射 通常是采用添加去耦電容的方法 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 電源阻抗設(shè)計(jì)電源之所以波動(dòng) 就是因?yàn)閷?shí)際的電源平面總是存在著阻抗 這樣 在瞬間電流通過的時(shí)候 就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降和電壓擺動(dòng) 大部分?jǐn)?shù)字電路器件對(duì)電源波動(dòng)的要求在正常電壓的 5 范圍之內(nèi) 為了保證每個(gè)器件始終都能得到正常的電源供應(yīng) 就需要對(duì)電源的阻抗進(jìn)行控制 也就是盡可能降低其阻抗 針對(duì)一個(gè)特定的電源 設(shè)計(jì)的最大電源阻抗為 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 從上面的計(jì)算公式可以看出 隨著電源電壓不斷減小 瞬間電流不斷增大 所允許的最大電源阻抗也大大降低 而當(dāng)今電路設(shè)計(jì)的趨勢(shì)恰恰如此 幾乎每過三年 電源阻抗就要降為原來的五分之一 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 由于電源阻抗的要求 以往的電源總線形式已經(jīng)不可能適用于高速電路 目前基本上都是采用了大面積的銅皮層作為低阻抗的電源分配系統(tǒng) 當(dāng)然 電源層本身的低阻抗還是不能滿足設(shè)計(jì)的需要 需要考慮的問題還很多 比如 芯片封裝中的電源管腳 連接器的接口 以及高頻下的諧振現(xiàn)象等等 這些都可能會(huì)造成電源阻抗的顯著增加 解決這些問題的最簡單也最有效的方案就是大量使用去耦電容 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 電容并聯(lián)特性及反諧振實(shí)際應(yīng)用中的電容往往都是多個(gè)并聯(lián)使用 因?yàn)檫@樣可以大大降低等效的Rs和Ls 增大電容 對(duì)于多個(gè) n 同樣值的電容來說 并聯(lián)使用之后 等效電容C變?yōu)閚C 等效電感L變?yōu)長 n 等效Rs變?yōu)镽 n 但諧振頻率不變 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 等值電容并聯(lián)特性 不同值的電容并聯(lián)情況就會(huì)更為復(fù)雜 因?yàn)槊總€(gè)電容的諧振頻率不同 當(dāng)工作頻率處于兩個(gè)諧振頻率之間時(shí) 一些電容表現(xiàn)為感性 另外一些表現(xiàn)為容性 這就形成了一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路 當(dāng)處于諧振狀態(tài)時(shí) 電感和電容之間進(jìn)行周期性的能量交換 這樣流經(jīng)電源層的電流極小 電源層表現(xiàn)為高阻抗?fàn)顟B(tài) 這種現(xiàn)象也被稱為反諧振 電容在電源完整性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 前面提到 Q值是體現(xiàn)電路中能量衰減的品質(zhì)因素 Q值太大