2.2 電容在電源電路中的應用

電容器最簡單的結構可以理解為，由兩個相互靠近的導體在形成的面積中間夾一層絕緣介質組成。當在電容器兩個極板間加上電壓時，電容器就會儲存電荷，所以電容器是一個充放電荷的電子元件。在電路中，電容有通交流、阻直流和通高頻、阻低頻的特性。

從圖2.5可以看到，在電源系統中，電容在開關電源電路中主要用于：輸入電容；輸出電容；自舉電容；控制器自身的一些儲能和穩壓；開關控制器的配置；環路特性設計；去耦電容。

在電路設計過程中，電源設計往往是我們最容易忽略的環節。其實，一個優秀的系統，電源設計應當是很重要的，它很大程度影響了整個系統的性能和成本。電容在電源設計中的使用情況，又往往是電源設計中最容易被忽略的地方。雖然有很多人研究ARM、DSP、FPGA，但未必有能力為自己的系統提供一套低成本且可靠的電源方案。尤其當前進口芯片供應困難，價格高，我們需要運用一些國產芯片進行電源設計。下面就以JWH6346為例，說明電容器在開關電源設計中的運用。

1．輸入電容

由于開關管Q1反復開關，通過它的電流如圖2.6所示。這個電流除了需要從Vin提供，由于瞬間變化率非常大，還需要Cin參與提供瞬態電流。

2．輸出電容

在開關電源中，輸出電容的作用是控制電源紋波、保障電源的動態負載。

3．自舉電容

當芯片內部高端MOSFET需要得到高出芯片的VCC電壓時，需要通過自舉電路升壓得到比VCC高的電壓，否則高端MOSFET無法驅動。

自舉是指通過開關電源MOSFET管和電容組成的升壓電路，通過電源對電容充電使其電壓高于VCC。最簡單的自舉電路需要一個電容，為了防止升高后的電壓回灌到原始的輸入電壓，通常會加一個二極管。自舉的好處在于利用電容兩端電壓不能突變的特性來升高電壓。舉個例子來說，如果MOSFET管的漏極電壓為12V，源極電壓為0,GATE極驅動電壓也為12V，那么在MOSFET管導通瞬間，源極電壓會升高為漏極的電壓減去一個很小的導通壓降，那么VGS電壓會接近于0,MOSFET在導通瞬間后又會關斷，再導通，再關斷，不停地導通關斷。如此下去，長時間在MOSFET管的漏極與源極之間通過的是一個數倍于工作頻率的高頻脈沖，這樣的脈沖尖峰在MOSFET管上會產生過大的電壓應力，很快MOSFET管就會損壞。如果在MOSFET管的GATE與源極間接入一個小電容，在MOSFET管未導通時給電容充電，在MOSFET管導通及源極電壓升高后，自動將GATE極電壓升高，便可使MOSFET管保持繼續導通。

4．控制器自身穩壓電容

為了確保控制器穩定工作，控制器自身也需要一個穩定的電壓，這時就需要電容來穩壓。以圖2.7所示的JWH6346控制器為例，控制器本身內部就是數字電路+模擬電路。為了在內部實現穩壓源，需要外部接電容進行穩壓，如圖2.7所示的CVCC。

5．緩啟動時間配置

有些電源控制器電路設計了軟啟動功能，通過軟啟動，來控制啟動過程中的過沖，以及設置短路保護的恢復時間。每個控制器的具體設計不一樣，但是基本原理都是利用電容充放電時間控制一個時延，并不是每個控制器都有緩啟動時間配置，并且每個控制器的控制方法也不一樣。

例如，JWH6346軟啟動時間可通過連接在SS引腳和AGND之間的電容器CSS進行調整。芯片啟動時，有一個10μA的電流源給SS引腳的電容器充電。軟啟動時間tSS可通過以下等式計算：

其中，ISS= 10μA,VREF= 0.8V。

6．環路補償電路

在電源設計中，環路補償（Loop Compensation）是用于確保電源控制回路穩定且具有良好動態響應的技術。補償器（Compensator）是實現環路補償的電路或組件。它的主要作用是調節控制系統的頻率響應，以保證系統的穩定性和性能，一般由運放（運算放大器）及周邊電路實現。

功率級和補償器固有的極點和零點分別由圖2.8中的實線和虛線環表示。通常用于電壓模式控制的補償網絡是具有三個極點和兩個零點的III型電路，其零極點配置用于改善電源系統的開環頻率響應特性。通常，兩個零點用于抵消LC雙極點，以提高系統穩定性；一個極點用于抵消輸出電容器ESR（等效串聯電阻）產生的零點，以改善系統穩定性；其余極點位于開關頻率的一半附近，用于抑制高頻噪聲。FB是電源控制器的電源反饋管腳，用于獲取輸出電壓值Vout,Vout通過兩個電阻（RL和RH）進行分壓，分壓后得到一個電壓送到FB這個管腳，通過電源控制器來控制占空比。因此，電阻分壓網絡連接到FB可以確定所需要的輸出電壓。

7．去耦電容

在高速電路中，尤其要注意元器件的去耦問題，主要是因為元器件會把一部分能量（噪聲）耦合到電源、地系統之中。這些噪聲會以共模或差模的形式傳播到其他器件中，從而影響其他器件的正常工作。此時就需要用到去耦電容，在靠近高速器件的電源管腳放置一些電容，可以防止高速器件的噪聲向外傳播。由于去耦電容濾除的是高頻噪聲，所以一般選用陶瓷電容作為去耦電容。鋁電解電容不適用于高頻去耦，主要用于電源或電力系統的濾波。

去耦電容的選擇并不局限于陶瓷電容，但陶瓷電容因其高頻特性和良好的穩定性而常被選用。在選擇陶瓷電容作為去耦電容時，需要確保電容的自諧振頻率高于電路中最高頻的時鐘頻率或信號頻率。通常，可以選擇一個自諧振頻率在10MHz到30MHz之間的電容。

對于許多PCB電路，其內部信號的頻率范圍可能高達200MHz到400MHz。在這種情況下，當把PCB電路結構視為一個電容時，選擇適當的去耦電容可以有效地增強對電磁干擾（EMI）的抑制能力。這些去耦電容應放置在關鍵電路節點附近，以便有效地濾除高頻噪聲，確保電路的穩定性和可靠性。