按照百度百科索引的《電工電子技術(shù)工程訓(xùn)練實用教程》的分類，電容有這些作用：耦合、濾波、退耦、高頻消振、諧振、旁路、中和、定時、積分、微分、補(bǔ)償、自舉、分頻、負(fù)載電容。話雖如此，還是要把電路拿出來看看，涉及到模擬電路、放大電路的我不太熟悉，只給大家寫寫我所用過的電路。

目錄

1、電源輸出濾波

2、電源供電穩(wěn)壓

3、信號濾波

4、阻抗匹配

5、信號隔離（耦合）

6、掉電保持

7、計時

8、觸摸測量

1、電源輸出濾波

所有的電子設(shè)備都需要供電，大部分電路板供電的根源都是220V交流電，有些電路板會搭載220V轉(zhuǎn)直流的電源模塊，有些則在將直流電源模塊放在了外部，接到電路板上的已經(jīng)是直流電壓，但不管是板載的還是外接的電源模塊，供電的電壓和電壓紋波都很難滿足芯片的需求，因此大部分電路板上都有電源轉(zhuǎn)換芯片，將外部的220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，或者將24V、5V等高一些的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V、1V等芯片實際需要的低電壓。

電壓越低，在線纜上的損耗越大，線纜越長，感應(yīng)電感越大，負(fù)載變化時電壓跟隨的速度越慢，因此芯片的電源最好在同一塊電路板上產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換完成后的電壓可以通過濾波網(wǎng)絡(luò)做到很低的電源紋波，滿足芯片的電源需求。

電源的輸出濾波網(wǎng)絡(luò)較為簡單，一般都是一個電感加一個電容，電感一般是電源芯片的拓?fù)?/span>所需要的，并不是專門給濾波網(wǎng)絡(luò)專用的，但電感本身的特性也恰好可以提供濾波網(wǎng)絡(luò)所需的參數(shù)。

輸出濾波一般只要求一個電容的典型值，但也建議多加幾個不同容值的電容。下圖是金升陽的某款電源模塊的datasheet中關(guān)于電容選擇的內(nèi)容。

可以看到，對于不同的輸入電壓，廠家要求使用不同的輸入電容，對于輸出電容并沒有做要求，而是對輸出電感提出了2.2uH~10uH的建議。

那電源輸出的濾波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)到底該怎么選呢？是越大越好嗎？電感值又是怎么計算呢？

這個問題可以從Texas Instrument的電源芯片datasheet里找到方法。下面是LMR14050的datasheet。

在datasheet的第9章，詳細(xì)的闡述了其外圍器件的參數(shù)設(shè)計過程。

其中，關(guān)于輸出電容的選擇的章節(jié)，涉及到電容值計算的公式如下。

由電容的等效電阻產(chǎn)生的紋波

由電感對電容充放電產(chǎn)生的紋波

由負(fù)載突變產(chǎn)生的電壓突變與電容值的關(guān)系

上面的4個公式，前兩個表明了紋波與電容的關(guān)系，后2個公式，表明了電容值與負(fù)載驟降后電壓的突變值的關(guān)系，因此，由紋波的大小和負(fù)載突變后電壓跟隨的效果，即可推算出理想中的電容容值。

總的來說，電容容值越大越好，電容等效電阻越小越好，但紋波和電壓跟隨效果也沒有做到完美的必要，選擇恰好合適的電容，既能實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，又能節(jié)省成本，因此大致估算電容的容值，再進(jìn)行實際測試就可以了。

上面的公式，假設(shè)只使用了一個電容，但實際上經(jīng)常出現(xiàn)使用2-3個電容的情況，一是因為容值大的電容經(jīng)常是鋁電解電容，但鋁電解電容的等效電阻較大，因此會同時并聯(lián)一個陶瓷電容或鉭電容，既能抑制住紋波，又能降低負(fù)載對電壓的影響。另外，一個電容最好的濾波頻率只有一個點(diǎn)，如果并聯(lián)多個不同容值的電容，可以在多個頻率點(diǎn)上降低紋波的幅度，表現(xiàn)在時域上，能夠極大的減小紋波的幅值。

2、電源供電穩(wěn)壓

所有需要消耗功率的器件和芯片，都會從電路板的電源網(wǎng)絡(luò)獲取電壓和電流，所謂的電源網(wǎng)絡(luò)，實物就是電路板的銅板和電路板上的電容，銅板與銅板的參考層構(gòu)成了一個電容，再加上電路中并聯(lián)的電源輸出電容，共同構(gòu)成了電源網(wǎng)絡(luò)本身。

負(fù)載在獲取功率時會影響電源的電壓，為了避免電源輸入的電壓變化過大，一般都會在芯片的電源引腳很近的地方，布置對應(yīng)的電容，使得芯片能夠就近從電容獲取電流，避免電源電壓波動的太多。

電容布置的距離一般都是要求越近越好，封裝越小的電容，越需要離芯片的引腳靠近，最好是離引腳1-2mm，或者在引腳的正下方，電路板的背面，通過過孔與引腳和電源層連接，封裝和容值大一些的電容，則可以稍微離遠(yuǎn)一些。

對于小功率的芯片，一般在內(nèi)部功能模塊工作，或者外部IO變化時，會發(fā)生負(fù)載功率的波動，而對于大功率的芯片或者電源轉(zhuǎn)換芯片，電壓電流的變化則是始終在進(jìn)行。

電源轉(zhuǎn)換芯片一般會直接給出推薦電路，要求輸入電源的附近布置幾個、多少容值的電容，很多其他芯片，也有對電源附近的電容做出要求。下圖是STM32單片機(jī)對于模擬量電源供電的PCB設(shè)計原則，對參考電源指定了電容的1uf和10nf的電容容值，指定了電容的類型為“ceramic（good quality）”（優(yōu)質(zhì)陶瓷電容，很好奇什么是不優(yōu)質(zhì)的電容）。

STM32單片機(jī)在datasheet中描述了對于模擬量電源的要求，但未指定數(shù)字電源的電容布置原則，這種時候，硬件工程師一般都會給數(shù)字電源的所有引腳加上一個電容。

幾十個引腳的單片機(jī)，都會有多個GND和VCC引腳，大多是成對布置，均勻的分散在芯片四周，一般要求在每對GND和VCC引腳的電路板背面，放置一個0402封裝的0.1uf電容，然后在單片機(jī)的電源引腳稍遠(yuǎn)的位置，放置數(shù)個10uf和1uf的電容。

3、信號濾波

一般的數(shù)字信號都是通過電壓的高低表示0或1，高電壓從24V、10V、5V、3.3V、1V等不同的等級都有，低電壓則一般設(shè)置為0V。芯片內(nèi)部和芯片之間的通信，基本都是單端的高低電平信號，高則為1，低則為0。

但對于長距離通信，一般都有不同的表示邏輯。

RS232用負(fù)電壓表示1，正電壓表示0，負(fù)電壓為-3~-15V，正電壓為+3~+15V；

RS485用差分信號的高低表示1和0，壓差+2~+6表示1，壓差-2~-6表示0；

CAN也用差分信號的高低表示1和0，CANH為5V、CANL為0V表示0，CANH為2.5V、CANL為2.5V表示1；

10M以太網(wǎng)則使用曼切斯特編碼來表示0或1，從高變低表示0，從低變高表示1，電壓擺幅一般為2V，但由于變壓器的存在，芯片端電壓可能是以0V或3.3V作為基準(zhǔn)進(jìn)行擺動；

100M以太網(wǎng)采用三電平、1000M以太網(wǎng)采用5電平的編碼方式，編碼的方式稍微復(fù)雜一點(diǎn)，具體方式可以參考下面一篇從百度找來的資料。

一不小心寫得太多。信號的編碼其實跟電容沒啥關(guān)系，是信號的完整性跟電容有關(guān)，對于單端信號，當(dāng)發(fā)射端、傳輸線、接收端三者阻抗不匹配時，接收端會接受到超調(diào)的或不單調(diào)的信號，這種時候，可以將電容旁路在信號線與地之間，電容會極大的延緩信號的上升下降沿，也會起到調(diào)整特性阻抗的作用。

跑題結(jié)束，收~

比如，某芯片采用了10~100nm的CMOS工藝，其IO的上升下降沿只有10ns級別，這種時候外圍的電路的接收端口很可能會出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，在信號線上旁路一個電容，就可以降低信號電平的沿降速度。

對于不是連續(xù)變化的信號，可以使用電容旁路的方法，確保電平單調(diào)的變化。

4、阻抗匹配

類似于電阻的阻抗匹配，電容也可以起到阻抗匹配的作用。使用電容進(jìn)行阻抗匹配時，一般是使用電容將信號線下拉到GND或指定電壓。

使用電容進(jìn)行阻抗匹配的目的，一是由于電容可以起到減緩沿降的作用，二是電容可以隔離直流分量，在差分對的阻抗匹配中，使用電阻加電容的方式進(jìn)行阻抗匹配，可以避免信號線通過電阻對GND放電，減小信號的直流功率。電容在網(wǎng)口差分線上的應(yīng)用如下圖所示。

KSZ8851SNL的推薦電路圖

上圖是Microchip公司的KSZ8851SNL芯片的DEMO板上的電路原理圖的一部分，完整的原理圖可以參見下面的附件。

這個芯片是一個集成了MAC和PHY的接口芯片，支持10M/100M的網(wǎng)口通訊。它的差分對就需要通過50歐姆的電阻和0.1uf的電容進(jìn)行匹配，電容可以使用2個分別接地，也可以使用1個節(jié)省物料。對于某些網(wǎng)口芯片，甚至可以將發(fā)送和接收2對差分信號使用同一個接地電容。

5、信號隔離（耦合）

信號存在的目的是通信，即交換信息，但某些通信為了避免強(qiáng)電損壞弱電電路或者避免較長的線路收到干擾，需要在通信的同時實現(xiàn)物理上的隔離。最常見的隔離器件是光電耦合器，近年也出現(xiàn)了磁隔和容隔器件。

光耦

ADI的磁隔

TI的容隔

光耦、磁隔、容隔，都是用于數(shù)字信號的隔離和傳遞用的，某些光耦還可以用于一些模擬信號的傳遞，但磁隔和容隔只能用于數(shù)字信號的傳遞。

電容本身其實就具備隔離和傳遞信號的作用，但直接應(yīng)用時只能用于傳遞交流信號，如果是變化緩慢的高低電平信號，通過電容傳遞后只能看到信號跳變一瞬間所產(chǎn)生的尖峰，但如果是頻率較高的交流信號，電容則可以幾乎無延遲無衰變的將交流成分完整的傳遞過去。

我遇見過一個應(yīng)用場景，2個網(wǎng)口PHY芯片，需要在板上實現(xiàn)差分對的互聯(lián)，正常來說，PHY芯片發(fā)出的已經(jīng)是10M/100M的差分對信號，需要外接變壓器和網(wǎng)口連接器才能發(fā)送到另一端的PHY芯片上，但由于是板內(nèi)的通信，再加上2對變壓器、連接器、網(wǎng)線，自然顯得無比的愚蠢，這種情況下，理論上是可以將2個網(wǎng)口的TX和RX差分對直接交叉互聯(lián)即可，前提是2個芯片的差分發(fā)送器和接收器的電氣參數(shù)兼容。

如果芯片的差分發(fā)送器的基準(zhǔn)電壓不同或者一個是電流型、一個是電壓型，則必定不可以直接互聯(lián)，這種時候就需要在差分信號互聯(lián)的時候，在信號線中間串聯(lián)上電容。比如前文提到的KSZ8851SNL的差分信號的基準(zhǔn)電壓就是3.3V，而很多其他的PHY芯片的基準(zhǔn)電壓是0V，這種時候如果將2個PHY的差分信號互聯(lián)，KSZ8851SNL的差分線電壓會被拉到0V，導(dǎo)致差分信號的發(fā)送器無法工作。

網(wǎng)線差分信號的電容串聯(lián)

低速的數(shù)字信號無法使用這種方式，因為電容在信號頻率較低時的阻抗較大，會導(dǎo)致信號幅度衰減、相位延遲，但10M和100M的網(wǎng)口的信號頻率較高，經(jīng)過0.1uf電容后信號的交流成分幾乎是完全一致的，解決了電容兩邊的直流電壓不同，無法直連的問題。

6、掉電保持

電路板的電容在掉電時可以減緩電壓下降的速度，對于某些存儲設(shè)備，如果在寫入的過程中掉電，極有可能損壞存儲芯片。對于沒有UPS的硬件系統(tǒng)，存儲芯片在意外掉電時需要幾十ms的時間進(jìn)行讀寫停止。通過對供電電壓進(jìn)行檢測，可以提前一小段時間進(jìn)行退出讀寫的操作，防止硬件損壞。

一般的電源芯片，會有幾十到幾百uf的輸出電容，對于額定的供電電流，可以按照電容的放電公式估計出可以保持的時間。

C=(Vwork + Vmin)*I*t/(Vwork^2 – Vmin^2)

假設(shè)在5V上有100uf的電容，通過5V轉(zhuǎn)換為3.3V實現(xiàn)供電，5V的額定電流為100mA，5V掉到3.3V后電源關(guān)斷，則估算出從掉電開始到電源關(guān)斷的保持時間約為1.7ms。

1ms級別的時間，很難保證能夠停止存儲芯片的讀寫操作，如果要增大掉電保持的時間至10倍，則需要將電容增大10倍，100uf的電容增大10倍至1000uf，電容的體積也需要相應(yīng)的增大10倍，因此，純粹靠增大電容的方式實現(xiàn)延遲掉電功能，最好使用超級電容，而不是直接增大貼片電容或鋁電解電容的個數(shù)。

我在上一篇文章里描述了超級電容的規(guī)格，如果在5V電源上并聯(lián)上超級電容，就可以利用超級電容實現(xiàn)5V到3.3V的掉電保持，但需要注意的是，超級電容的額定電流小，在上電時如果電壓直接從0V跳變?yōu)?V，超級電容的充電電流會相當(dāng)大，容易損壞電容，因此需要增加一個超級電容的緩起電阻，但放電時又不能讓緩起電阻分壓，需要再增加一個放電的二極管。

7、計時

在大學(xué)里有個經(jīng)典的555芯片搭建的振蕩電路，可以通過電阻對電容的充放電，實現(xiàn)指定周期的方波發(fā)生器，如果將電阻或電容更換成可變電阻或可變電容，即可實現(xiàn)可調(diào)周期的方波發(fā)生器。具體的電路參見下面的鏈接。

分頻是很容易實現(xiàn)的，將主頻通過一個計時器，修改計時器的計數(shù)值，即可實現(xiàn)任意整數(shù)倍數(shù)的分頻，但倍頻電路的實現(xiàn)會難一些。我曾經(jīng)遇到過一個倍頻電路設(shè)計的問題，利用到了RC電路的延時功能，雖然實際的應(yīng)用中一般通過鎖相環(huán)電路實現(xiàn)倍頻，但這個電路的設(shè)計思路還是很有意思。

8、觸摸測量

說起電容的觸摸測量應(yīng)用，大家都會想到手機(jī)的電容觸摸屏。最早的觸摸屏技術(shù)，應(yīng)用的是電阻觸摸屏，但電阻觸摸屏需要有較大的按壓力，手感不如電容的好，并且手機(jī)屏幕如果有形變不利于保持表面硬度，所以手機(jī)前幾年基本拋棄了電阻觸摸屏（想起了我高中買的帶電阻觸摸屏和WLAN的諾基亞手機(jī)）。

現(xiàn)在的手機(jī)觸摸屏，把觸摸感應(yīng)的部件放到了液晶屏組件內(nèi)部，極大地減小了體積，但手機(jī)屏幕產(chǎn)量大，才能做到價格不貴，普通的工業(yè)應(yīng)用，屏幕要求大，很少能用到手機(jī)屏幕的電容觸摸屏技術(shù)。

電阻觸摸屏有四線、五線、七線、八線等不同的規(guī)格，其檢測技術(shù)還是比較直觀的。

我接觸過一款TI的CPU，這款芯片集成了4/5/8線的電阻觸摸屏的接口，不用任何的外圍電路，只要連好了線、設(shè)置好了驅(qū)動即可直接得到觸摸屏的測量值。

CPU自帶的觸摸屏控制器原理框圖

跑題結(jié)束，收~

電容觸摸屏的原理和電阻觸摸屏有類似的地方，也是檢測觸摸點(diǎn)到邊框的位置，通過電容的變化計算出觸摸點(diǎn)到各邊的距離。電阻觸摸屏是通過施加電壓，測量分壓值，計算電阻值，而電容需要通過震蕩時充放電的時間來測量容值，相比之下，電容的測量方式稍微復(fù)雜一點(diǎn)，對于手機(jī)普遍使用的多點(diǎn)觸控電容屏，則更為復(fù)雜。

在工業(yè)產(chǎn)品中使用的觸摸屏，一般都不是集成在液晶屏模組里的，而是獨(dú)立的一片玻璃，其檢測電路也是單獨(dú)的一塊PCB或FPC，需要通過連接器再接入主控板。下圖是2種形式的電容觸摸屏及其檢測電路。

可以想象，手機(jī)里是完全不可能放下這么大的電路板的，因此工業(yè)常用的觸摸屏和手機(jī)觸摸屏的技術(shù)還是差距很大的。

電容觸摸測量，除了手機(jī)的電容觸摸屏，有些開關(guān)也用到了。大家應(yīng)該接觸過類似的開關(guān)，摸一下開關(guān)的觸控部位，就能開關(guān)一些照明燈或類似的電器。

要自己設(shè)計電路，通過檢測振蕩電路的周期來測量電容值，電路還是挺復(fù)雜的，再加上計時的周期不線性的對應(yīng)電容容值，觸摸的識別和濾波，這些算法也需要一定的實驗和調(diào)整。最近接觸到了一款國產(chǎn)的電容觸摸屏芯片，買了他家的一款小板子，用起來還是很有意思的。芯片叫TTP223N，是臺灣一家公司生產(chǎn)的。公司官網(wǎng)、芯片資料如下。

這個芯片很簡單，配置好幾個引腳的上下拉，加4個電容就可以使用，檢測1個引腳外接的“平板”即可，這個“平板”可以是PCB的銅層，也可以是一個金屬外殼。只要用手接近或觸摸“平板”，就能穩(wěn)定的觸發(fā)一次開關(guān)的動作，觸發(fā)后芯片會輸出一個脈沖，也可以設(shè)置為輸出一次電平變化。

想象一個臺燈，有一個裸露的金屬板，將這個金屬板接到這個芯片的引腳上，這個金屬板就成為了一個觸控開關(guān)，摸一下燈亮了，再摸一下燈滅了，nice~

實際買到的demo板的外形如下。

電容測量的原理很容易理解，通過震蕩電路的并聯(lián)電容進(jìn)行充放電，測量充電的周期，從而計算出外部并聯(lián)電容的大小，如果電容改變了，則認(rèn)為被人觸摸到了。具體的判斷邏輯稍微復(fù)雜一些，保證了判斷觸摸的可靠性。

以上就是我所了解的電容的應(yīng)用，下一篇再侃侃電容的其他知識~