探究VCC(电源)和 GND(地)之间电容的作用机制

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作用:电源输入/输出滤波电容,主要用于稳定输出,有助于稳压。
 
电容的主要作用是稳压。在将电源与地连接时,电容起到两个作用:储能和旁路储能。因为电路的功耗有时较大,有时较小,当功耗突然增大时,如果没有电容,电源电压会下降,产生噪声、振铃甚至导致CPU重启。此时,大容量的电容可以释放储存的电能,稳定电源电压,就像河流和水库之间的关系一样。而旁路作用则是把电路中的电流脉动(例如数字电路的同步频率)通过使用无极电容分流到地,以减少电源电压的脉动,从而提高稳定性。
 
电源滤波
 
电容的容量可以通过公式容量=介电常数×面积/距离(C=εS/d)计算。通常情况下,介电常数和距离不易改变,只能通过改变面积来改变电容量。当需要较大的电容时,必然需要较大的面积。为了减小体积,我们采用卷叠方式,但这样会增加电感量(即使采用对称双绕)。正如你所知,电容实际上是由电阻、电感和电容的组合构成。因此,大电容相对于电感也较大。例如,在使用2200uF电容进行波时,对低频50Hz非常有效,但对高频(KHz、MHz)没有什么作用,因为电感太大。因此,专业人士在电源滤波方面非常讲究,他们会使用大、中、小三种不同的电容来分别过滤低、中、高频信号。
 
实际应用
 
在直流电源(Vcc)和地之间并接的电容被称为滤波电容。滤波电容的作用是滤除电源中的杂波和交流成分,使直流电压更平滑,同时储存电能。一般情况下,滤波电容的取值范围为100-4700uF。选择的容值与负载电流以及对电源纯净度的要求有关,一般来说,容量越大越好。有时在大电容旁边还会并联一个容量较小的电容,称为高频去耦电容。它也是一种滤波方式,用于去除电源中的高频杂波,防止电路发生自激振荡,保持电路的稳定工作状态。一般来说,高频去耦电容的取值范围为0.1-10uF,具体取值与需要滤除的杂波频率相关。
 
这样连接的作用通常被称为"退耦",也叫做"退交连"或者"旁路"电容,常常被放置在电源供应、集成电路和功能模块电路附近。瓷片电容和独石电容是无感电容的优选。
 
它们的作用是为高频信号提供通路,降低电源的内阻,消除电源和地线在铜布线上的"走长线"效应,防止公用电源中各个部分电路之间产生的"有害交连"等。常用的是10nF电容。
 
在开发板上,通常会使用很多0.1uF非电解电容和10uF电解电容。这些电容的目的是使电源线和地线之间的阻抗尽可能低,使电源接近理想电压源。可以说它们也具有滤波的作用,但需要明确滤除的是什么波。它们不是用来滤除电源的纹波,而是用来消除某些芯片在电源线上引起的纹波,以免影响其他芯片的工作。
 
使用0.1uF无极性电容和10uF电解电容并联的原因是,电解电容存在较大的寄生电感,其去除高频纹波的能力较差。而无极性电容的寄生电感较小,可以更好地滤除高频纹波。然而,如果根据低频要求选择容值,则无极性电容的体积过大,成本也较高;而电解电容的体积较小,价格更便宜。因此,采用两种电容并联的方式。
 
在自己设计电路时,也应该遵循这样的使用原则,并且各个电容的位置和布线都需要精心考虑。
 
只能说两句原则:
 
对于小容量的无极性电容,应尽量缩短其连接芯片电源引脚和地引脚的联接线,线路越短越好。
 
通常电源是从其他电路板引入的,而电解电容通常每个电路板上只有一个或两个。如果只有一个电解电容,应放置在电源进入该电路板的位置。在这种情况下,电解电容离各芯片较远,但因为电解电容主要在较低频率起作用,所以稍远一点没有关系。如果电路板上有两个电解电容,另一个应放置在耗电最多的芯片附近。

 

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