我们能够用的电容器不单只有电容

上一篇文章我们讲述了一下为什么要对电路板上每一个局部的器件进行电源去耦-平滑掉本区域电流的瞬间需求导致的电源线上的波动，从而保证本区域器件的正常工作，并且不会将本区域的波动通过电源线传递（耦合）到相邻的其它区域的电路上去。而电容由于具有储能的功效成为了最好的去耦器件，因此在每个器件的电源管脚上几乎都会看到去偶电容。

但问题来了：

究竟需要多大容量的电容才能达到去耦的效果？

这么多不同种类的电容选用哪种电容合适呢？

为什么在很多电路上看到针对一个电源管脚会有多个容量大小不同、类型也不相同的电容一起工作呢？（如下图）

在一个芯片（比如FPGA/MCU）的电源管脚上需要多个不同容值、不同类型的电容并联达到较好的去耦效果

首先，我们要面对一个现实：

我们能够用的电容器不单只有电容

事情本来很简单 - 根据库伦定律，我们只需要通过某负载区域的电流变化范围、变化频率（多种速率共存）就可以推算出能够应对本区域电流波动的电容C，然后在该管脚上放一个C不就得了？

就好比说 - 只要我们知道某个小区人均消耗粮食的速度，就可以推算出需要的粮库的容量大小以满足当地供应的需求，只需要一个粮库不就能满足成千上万家的需要了么？为何还要家家都要有个储存粮食的粮袋呢？因为，你需要粮食的时候，粮食不会瞬间全部出现在你面前，毕竟你在每次去取粮食，能够取的数量有限（相当于有电阻），在去取粮食的路上会遇到盘问（相当于电感）。

回头来看，我们用来去耦的电容器（不论是哪一种）用于在电源线上的瞬态干扰期间快速提供电流，它们都不只有“电容”一个属性，还有两个阻碍电流流动的部分：电阻（ESR） - 无论频率如何都呈现固定阻抗;电感（ESL）- 随着频率的增加其阻抗也变得更高。而这三部分的值与电容的类型、容值、封装都有很大的关系。也就相当于仓库+一定阻力/宽度的道路+盘查的人，让你在使用仓库的时候要付出额外的代价，而每种仓库的代价随着其规模的大小，性质的不同，其要付出的代价也是不同的。

作为最常用的去耦神器 -陶瓷电容具有很低的ESR和ESL（它们也很便宜），其次是钽电容，提供适中的ESR和ESL，但相对有较高的电容/体积比，因此它们用于更高值的旁路电容，用于补偿电源线上的低频变化。对于陶瓷和钽电容，较大的封装通常意味着较高的ESL。

下图显示了0.1μF，封装为0603的陶瓷电容器的阻抗，该电容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR：

正如前面讨论的，去耦电容的作用就是平滑掉高频变动的纹波电流，理想的电容器可以很容易地实现这一点，因为电容器的阻抗随着频率的增加而降低。但由于ESL的存在，在某个频率下阻抗实际上随频率开始上升，这个频率点又被称为自谐振频率点。我们再对比一下1μF的钽电容器，它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

由于其较高的电容值，钽电容器的阻抗在开始阶段低于陶瓷的阻抗，但是较高的ESR和ESL的影响导致阻抗在100kHz附近变平，在1MHz-10MHz高于陶瓷电容的阻抗，在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。设想一下，如果电路中的噪声频率是在10MHz左右，即使钽具有更高的电容，也不如放置一颗0.1μF的陶瓷电容更有效。如果我们要旁路掉更高频率的噪声，即使这个陶瓷电容也会存在太大的阻抗，我们就需要更低的ESL，也就是更小的封装。

下图左侧表明两个同样是0603封装的电容并不改变其对高频噪声的去偶性能，只是相当于去耦电容的容量为二者的和而已，后面看到这个容量对旁路噪声的效果其实没有什么差别；而下图的右侧，一个0.1μF封装为0603的电容和100pF封装为0402的电容并联在一起，就可以覆盖更宽的高频范围，能够对两个频点的噪声进行去偶。

回到本篇文章第一个图，在同一个电源管脚并联了三个去耦电容：

4.7μF的钽电容，对比较低频率的噪声滤除比较有效；

0.1μF、0603的陶瓷电容，对1-50MHz区域的噪声滤除效果比钽电容有效；

0.001μF、0402的陶瓷电容，对于50MHz以上的高频噪声滤除比较有效；

具体的噪声频段可以通过电路分析（时钟频率）以及测量进行确定，由此需要选用相应类型、相应封装的电容进行去耦。多数的情况下我们用0.1μF陶瓷电容搭配一个钽电容，就足以满足系统对电源噪声的去耦效果。

再给出一张图供大家参考 - 即便都是陶瓷电容，随着材料、容值的不同，其去耦的有效频率段也是不同的，总之 - 容量越小、封装越小，其自谐振频率点也就越高，也就是其最低的等效阻抗的频率点越高。

电容，应该多大？

用作电源去耦作用的电容的性能取决于其两个非理想特性 - 等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。事实证明，在电源去耦的应用中，精确的电容值并不重要，这就是为什么“大家都说”以及IC制造商也都提供相同的建议 - “每个电源引脚上0.1μF陶瓷电容” - 用于各种模拟和数字IC。

基于库仑定律的估算在此不再赘述，只需要大家记住结论 - IC厂商给每颗IC提供多个电源管脚，每个管脚上只要放置一个0.1μF的电容，从用于平滑该电源电路上的波动而存储的电容量已经足够，就相当于你每吨只吃一勺米，而你家里放了一个大米缸一样，0.1μF是一个比较方便的值，就电容（不考虑ESR和ESL）而言，1μF或者0.01μF其实同样合适。

总之，电容的选择主要看你要去耦的噪声的频率范围。

最后我们再熟悉一下各种电容的特性。

电容的种类及差异：

下面是我们常见到的电容，各种形状的、各种值、应用于不同的领域。

上帝造万物，让万物都有用，而没有一样物体是万能的，只有多种互补在一起用才能达到一定的效果，电容也是，下面的表格列出了我们常用的几种电容的种类、优缺点以及各自应用的领域。

英文的阅读起来有点难度？那就用中文的方式简单说一下：

先介绍一下有极性的电解电容：

电解电容系列具有宽值范围、高电容体积比和广泛的工作电压，是极佳的高性价比低频滤波器元件。该系列包括通用铝电解开关类型，提供10V以下直至约500V的工作电压，大小为1μF至数千μF不等，其外形尺寸与容值成正比。此类器件有相对较高的漏电流（可能为数十μA），具体漏电流在很大程度上取决于特定系列的设计、电气尺寸、额定电压及施加电压。不过，漏电流对去耦不会造成大的影响。大多数去耦应用不建议使用通用的铝电解电容。不过，铝电解电容有一个子集是"开关型"，其设计并规定用于在最高达数百kHz的频率下处理高脉冲电流，且损耗很低。此类电容在高频滤波应用中可直接媲美固态钽电容，且具有更广泛的可用值。

固态钽电解电容一般限于50V或更低的电压，电容为500μF或更低。给定大小时，钽电容比铝开关电解电容呈现出更高的电容体积比，且具有更高的频率范围和更低的ESR。钽电容一般也比铝电解电容更昂贵，对于浪涌和纹波电流，必须谨慎处理应用。

最近，使用有机或聚合物电解质的高性能铝电解电容也已问世。这些电容系列拥有略低于其他电解类型的ESR和更高的频率范围，另外低温ESR下降也最小。此类元件使用铝聚合物、特殊聚合物、POSCAP™和OS-CON™等标签

所有电解电容均有极性，无法耐受约1V以上的反向偏置电压而不造成损坏，因此千万别把极性接反，以前在实验室工作的时候经常会听到“砰”的一声，多半就是有极性的电容被接反了导致的。

再讲一下陶瓷电容：

陶瓷或多层陶瓷(MLCC)具有尺寸紧凑和低损耗特性，通常是数MHz以上的首选电容材料。不过根据陶瓷电介质特性的差异，陶瓷电容也细分为多种。对于电源去耦应用，某一些类型优于其它类型：

采用X7R的高K电介质配方时，陶瓷电介质电容的值最高可达数μF；

Z5U和Y5V型的额定电压最高可达200 V；

X7R型在直流偏置电压下的电容变化小于Z5U和Y5V型，因此是较佳选择。

NP0（也称为COG）型使用介电常数较低的配方，具有标称零TC和低电压系数（不同于较不稳定的高K型）。NP0型的可用值限于0.1μF或更低，0.01μF是更实用的上限值。

多层陶瓷(MLCC)表面贴装电容的极低电感设计可提供近乎最优的RF旁路，因此越来越频繁地用于10 MHz或更高频率下的旁路和滤波。

更小的陶瓷芯片电容工作频率范围可达1GHz。对于高频应用中的这些及其它电容，通过选择自谐振频率高于最高目标频率的电容，可确保有用值符合需要。

薄膜型电容一般使用绕线，增加了电感，因此不适合电源去耦应用。此类型更常用于音频应用，此时需要极低电容和电压系数。

最后，务必选择击穿电压至少为电源电压两倍的电容，否则当电路上电时，可能会发生意外。

它们都长成这样

最后我们看一下一个实际的电子产品上的电源是如何输送到器件内部的，在“粮食”供应的路途中（物流）有各种曲折、关卡阻碍着供给的效率，这就需要在每个环节提供不同形式、反应速度不同的“仓储”来应对不同突发状况的出现，确保每个局部安定团结、局部和局部之间相安无事。当然这些仓储位置的选址也是非常关键的，这是我们下一篇文章要讲的内容。

一个实际的产品一般需要多种电容的组合来去耦，以实现整体性能最优