电子设备是我们推动世界运转所需的工具。现代生活已经离不开手机、现代化的交通工具、科学设备以及家中的各类电器,我们需要它们来改善甚至延长我们的寿命。所有电子设备都依赖于清洁的电源,而旁路电容器对于确保设备安全地满足其电源规格要求至关重要。

为什么需要旁路电容器?

电子系统皆有可能受到电磁干扰(EMI)的影响。电磁干扰可由各类人为因素或自然因素导致,例如:

- 电源线辐射
- 无线电发射机
- 电动机
- 继电器
- 静电放电 (ESD)
- 闪电

每个信号源都会与设计中的电源和信号线耦合,产生噪声。即便布局再谨慎,只要有直流电源线路在,它都可能充当吸收和传输电磁场的电感器。图 1 展示了一种常见的情况,即家用 60 Hz电源在直流电源线上诱发电源故障。
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图 1. 直流线路上由 60 Hz频率引起的 EMI。
资料来源:http://w4neq.com/htm/linenoise.htm

当这些辐射加载到所需的稳态直流电压之上时,所提供的电源质量就会下降。一些潜在的 EMI 引起的故障模式包括单位翻转和小故障(稳健的硬件和软件解决方案可纠正这些故障),以及集成电路 (IC) 锁存,迫使系统复位。大的静电放电尖峰甚至可能导致集成电路完全失效。

旁路电容器如何缓解 EMI


如图 2 所示,电容器是一种无源电子元件,由两块被电介质隔开的导电板组成。一旦接通电源,电容器就会在两块板上储存能量,直到与供电电压达到平衡。如果外部因素导致供电线路电压过低,电容器会将储存的电荷反馈到线路上;如果发生过压事件,多余的电荷会穿过电介质并分流到地面。
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图 2. 电容器物理结构图示。
资料来源:https://www.electronics-tutorials.ws/capacitor/cap_1.html

为确保为昂贵、高速的元件持续提供清洁电源,设计人员会在集成电路电源输入引线附近添加旁路电容器。旁路电容器起到滤波器的作用,为稳态电压提供无穷大的阻抗,并旁路高频噪声,这可以减弱电源线上的噪声,如图 3 所示。

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图 3. 电路图和结果轨迹


旁路电容器如何提高电子系统可靠性

电容器过滤高频信号的能力可用容抗公式进行表达:
Xc = 1 / (2 * π * f * C)
其中,Xc 是容抗(单位:欧姆),f 是频率(单位:赫兹),C 是电容器的容值(单位:法拉)。在低频情况下(如直流电源),容抗接近无穷大,就像一个开路,允许直流电压为目标设备供电。线路上的高频噪声会传到地面。假定电阻值适当偏高,通过求解方程中的 f 值,可选择适用的电容器来抑制特定频率。
电容器自身的构件(如引脚)会增加元件本身的电阻和电感,它们分别称为等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)。电容器设计时有针对性地多加考虑可确保较低的 ESR 和 ESL 值。

除了为集成电路提供清洁电源外,旁路电容器还在许多电子领域发挥着关键作用。由于旁路电容器能降低噪声并稳定设计电源,因此在以下系统中凸显优势:
•   使音频放大器减少失真并提高音频质量
•   使WiFi 接收器和发射器改善信号的接收与传输,实现更高的数据传输速率
•   使核磁共振成像射频脉冲发生器提供精准的脉冲信号
•   使模拟数字转换器(ADC)提高转换精度
•   使微控制器出错更少,实现更高的性能和可靠性
•   使LED 照明系统提高照明质量,减少视觉不适感
以上系统均易受到特定频段和频率的电磁干扰的影响,通过有针对性地选用适用的旁路电容器并结合谨慎的屏蔽和布局设计,可有效控制设计中问题区域的EMI。