電容器的應(yīng)用
2017-5-16 18:06:15??????點(diǎn)擊：
電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)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(shí)電容
電容種類繁多，這里隨便貼幾種，共大家欣賞，實(shí)物圖如圖 3-3 所示。
電容的用途
電容種類繁多，應(yīng)用甚廣。筆者就以幾個(gè)實(shí)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(chǔ)能、濾波和去耦等功能。
（1）使用吸塵器時(shí)收音機(jī)會(huì)出現(xiàn)“啪啦、啪啦”的雜音，原因是吸塵器的馬達(dá)產(chǎn)生的 微弱（低強(qiáng)度高頻）電壓/電流變化通過電源線傳遞進(jìn)入收音機(jī)，以雜音的形式出現(xiàn)，將這 種干擾稱之為“傳導(dǎo)干擾”。
（2）當(dāng)摩托車從附近道路通過時(shí)，電視機(jī)會(huì)出現(xiàn)雪花狀干擾。這是因?yàn)槟ν熊圏c(diǎn)火裝
置的脈沖電流產(chǎn)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(shí)候，特別是在北方比較干燥的城市，晚上睡覺脫衣服時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到衣 服有“火花”，實(shí)際上這是“靜電放電”現(xiàn)象，稱之為 ESD。如果此時(shí)你用手觸摸一些電子元件，說不定會(huì)電擊毀這些元器件，因?yàn)殡妷河?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(diào)時(shí)，室內(nèi)的熒光燈會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)變暗的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇罅侩娏髁飨蚩照{(diào)， 電壓急速下降，利用統(tǒng)一電源的熒光燈受到影響，這種電壓突然驟降的“浪涌”現(xiàn)象，稱 之為 Surge。
為了研究、解決以上這些問題，后來發(fā)展起來了一門學(xué)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(shè)計(jì)與測試案例分析》，有些例子相當(dāng)經(jīng)典。這 里順便為讀者擴(kuò)展幾個(gè)概念，希望讀者能夠了解。
（1）去耦。當(dāng)器件高速開關(guān)時(shí)，把射頻能量從高頻器件的電源端泄放到電源分配網(wǎng)絡(luò)。 去耦電容也為器件和元件提供一個(gè)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(shí)質(zhì)是產(chǎn)生一個(gè)交 流支路來把不需要的能量從易受影響的區(qū)域泄放掉。另外，它還提供濾波功能（帶寬限制）， 有時(shí)籠統(tǒng)地稱為濾波。
（3）儲(chǔ)能。當(dāng)所用的信號(hào)腳在最大容量負(fù)載下同時(shí)開關(guān)時(shí)，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(chǔ)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(shí)，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(xiàn)為容性，在自 諧振頻率以上電容變?yōu)楦行裕@將會(huì)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(guān)系
綜上可得，使用去耦電容最重要的一點(diǎn)就是電容的引線電感。表貼電容比插件電容高 頻時(shí)有很好的效能，就是因?yàn)樗囊€電感很低。
并聯(lián)電容。若有些電路中濾波效果不好，可以采用并聯(lián)電容的方式來增加濾波效果， 但不是隨意的增加并聯(lián)的個(gè)數(shù)或隨意放置幾個(gè)電容，這樣只會(huì)浪費(fèi)材料。
一般原則是并聯(lián)的電容必須有不同的數(shù)量級(jí)（例如 0.1μF 和 1nF），這個(gè)數(shù)量級(jí)最好是兩個(gè)或 100 倍。
（4）濾波。濾波是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要
措施，通俗點(diǎn)講就是將想要的留下，不想要的統(tǒng)統(tǒng)干掉。
實(shí)例解說儲(chǔ)能和濾波
這個(gè)例子就是飛天一號(hào)（MGMC-V1.0）開發(fā)板上的 USB 轉(zhuǎn)串口電路（CH340T），電路如圖 3-4 所示。
圖 3-4 USB 下載和外擴(kuò)電源接口電路圖 殘弈悟恩也毫不隱諱的告訴大家，在調(diào)試這個(gè)電路時(shí)真是花了不少時(shí)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(diào)試心得。
問題一：單片機(jī) P3.0 一直為高，單片機(jī)根本拉不低，導(dǎo)致電路開關(guān)作用不大。 解決方法，實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)該引腳一直為高，就是取了單片機(jī)芯片也為高，說明問題肯
定在 U10 身上，最后一看數(shù)據(jù)手冊，確實(shí)默認(rèn)為高，所以反接了一個(gè) D9（1N4148），不知讀 者還能否記得二極管的單向?qū)щ娞匦裕詈髥栴}順利得到解決。
問題二：在關(guān)閉電源的情況下，電源指示燈 D11 會(huì)微微發(fā)亮。解決辦法，結(jié)合數(shù)據(jù)手冊和測試發(fā)現(xiàn)，U10 的 4 引腳有 2V 多的電壓，所以才會(huì)發(fā)亮，
因而在 4 引腳上串聯(lián)了一個(gè) 100Ω 的電阻，以做限流、分壓用。
問題三：COM 口要么直接發(fā)現(xiàn)不了，要么發(fā)現(xiàn)之后一開電源就不見了。 原因分析，殘弈悟恩在一開始設(shè)計(jì)電路時(shí)，根本沒有 C10、C20、E3 這三個(gè)電容，不加，
當(dāng)然不是為了節(jié)省成本，而是太想當(dāng)然了，在這里慎重的向讀者說聲：對不起！殘弈悟恩 錯(cuò)了。最后拿示波器測試發(fā)現(xiàn)，板子上電的這一瞬間，“+5V”這個(gè)端子的電壓變化如圖 3-5 所示，接著再看 CH340T 的數(shù)據(jù)手冊，其中電源 VCC 的要求如圖 3-6 所示。
圖 3-5 未接電容時(shí) CH340T 電源端子電壓的變化圖
圖 3-6 CH340 的 VCC 要求規(guī)格數(shù)
依圖 3-5 可知，在開發(fā)板上電的瞬間，“+5V”端子的電壓會(huì)掉到 4V 甚至 4V 以下，而要求是最小 4.5V，這樣的設(shè)計(jì)沒問題才怪呢！這與開空調(diào)時(shí)室內(nèi)熒光燈變暗原理類似。為 解決這個(gè)問題，前面提到的“儲(chǔ)能”就很有用了。殘弈悟恩憑著經(jīng)驗(yàn)加了一個(gè) C10（0.1μF）、 一個(gè) E3（220μF）的電解電容，為該電源網(wǎng)絡(luò)濾波、儲(chǔ)能。所謂的儲(chǔ)能過程就是接通 USB 時(shí)， 則會(huì)給 E3 電容充電，接著當(dāng)打開電源開關(guān)時(shí)，由于后面的負(fù)載會(huì)拉低這個(gè)電源電壓，此時(shí)若“+5V”端子的電壓低于 E3 兩端的電勢，則 E3 就會(huì)放電，來彌補(bǔ)這個(gè)電壓。這時(shí)測試發(fā) 現(xiàn)，電壓還是會(huì)有變化，最小值為：4.8V，4.8V（4.8V》4.5V）肯定是滿足了設(shè)計(jì)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(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這 種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，它的形態(tài)一般為頻率高于工頻（指工業(yè)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(gè)理解。大海，理論上是一個(gè)很平靜的水 面（直流），但由于大風(fēng)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(shè)計(jì)、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(chǎn)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(jī)頂盒電源的要求，當(dāng)然產(chǎn)品不同，或許 對于要求會(huì)不同。但對于單片機(jī)設(shè)計(jì)來說，這樣的要求肯定能滿足系統(tǒng)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(shí)紋波為 80.8mV，小于 100mV，滿足要求。其實(shí) 對于設(shè)計(jì)電路來說，設(shè)計(jì)到這里就可以結(jié)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(gè) C20（10μF 瓷片電容），接著測試紋波，如圖 3-9 所示，此時(shí)紋波為 21.6mV，可能有人會(huì)說這是浪費(fèi)，這個(gè)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(jié)合上面的圖文，大家應(yīng)該能夠理解電容的儲(chǔ)能和濾波作用，這樣便可為以后的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。
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