一文探究集成芯片的电源两端为什么要接一个电容

[导读]芯片两个引脚间加电容是为了稳定供电电压、滤除噪音、提供瞬时电流、降低功耗。这些设计都是为了提高电路的稳定性和性能。例如，稳定供电电压是非常关键的，电源线上不可避免地会存在电压波动，这些波动可能来源于电源本身的不稳定或者电路中其他部件的电流变化。在芯片工作时，如果供电电压发生较大波动，可能会导致芯片工作不正常，甚至损坏。因此，在芯片的电源引脚与地引脚之间加入旁路电容或去耦电容，可以作为一个小型的能量存储单元，当供电电压暂时下降时，电容可以释放存储的能量，确保芯片供电电压的稳定。

‌集成芯片的电源两端接一个电容的主要原因包括去耦、储能、滤波、提高电磁兼容性等‌。具体来说：

‌去耦(Decoupling)‌：电容可以为高频信号提供通路，减小电源内阻，去除电源和地线在敷铜板上“走长线”的影响，防止公用电源的各部分电路之间的“有害交连”。去耦电容的主要作用是吸收供电电源电压中的高频交流成分，将高频交流成分引导到地线，进而使芯片能够获得更加稳定可靠的直流电压。

‌储能(Energy Storage)‌：当电路的耗电量突然增大时，如果没有电容，电源电压可能会被拉低，产生噪声，甚至导致设备重启。大容量的电容可以暂时释放储存的电能，稳定电源电压‌。

‌滤波(Filtering)‌：电容可以滤除电源中的高频杂波，稳定电路工作状态。电源滤波电容可以滤除电源的杂波和交流成分，平滑脉动直流电压，储存电能‌12。

‌提高电磁兼容性(EMC)‌：电容可以降低高频干扰信号对电路的影响，抑制电路与干扰源之间瞬态共模电压差，防止高频信号辐射至外部环境‌。

‌提供瞬态电流‌：在芯片瞬间需要大电流时，电容能够快速响应，提供所需的电流，避免电源网络延迟导致的电压波动‌。

‌防止直流短路‌：使用电容而不是导体进行短路连接，因为导体会造成直流短路，可能烧毁保险丝，而电容可以隔直，只允许交流通过。

‌降低电感影响‌：用作高频短路的电容必须具有较低的引线和PCB走线电感，因此各电源电容必须非常靠近它去耦的IC的两个引脚。

芯片两个引脚间加电容是为了稳定供电电压、滤除噪音、提供瞬时电流、降低功耗。这些设计都是为了提高电路的稳定性和性能。例如，稳定供电电压是非常关键的，电源线上不可避免地会存在电压波动，这些波动可能来源于电源本身的不稳定或者电路中其他部件的电流变化。在芯片工作时，如果供电电压发生较大波动，可能会导致芯片工作不正常，甚至损坏。因此，在芯片的电源引脚与地引脚之间加入旁路电容或去耦电容，可以作为一个小型的能量存储单元，当供电电压暂时下降时，电容可以释放存储的能量，确保芯片供电电压的稳定。

一、稳定供电电压

电容器连接在芯片电源引脚和地之间，主要作用是支持电源线在高负载瞬间提供较为稳定的电压。电容器能存储电量，在电源线电压突然下降时，电容能迅速释放电量，保持芯片供电电压不会有太大的波动。相反，当电路负载突然减少时，电容可以吸收多余的电量，从而避免电压短时间内的剧烈升高。

二、滤除噪音

任何电路系统都无法完全摆脱外界以及内部的电磁干扰，这种干扰在电源线上表现为噪音。噪音可以是高频交变电流，也可以是由其他电子设备产生的电磁波辐射所引起的。芯片两个引脚间加入的电容，能够有效滤除高频噪声。这些电容器充当低通滤波器，允许低频电流通过，阻止高频电流，保护芯片不受高频电磁干扰的影响。

三、提供瞬时电流

在芯片运作时，某些功能模块可能会在很短的时间内需要较大的电流，这时供电系统可能来不及响应这种瞬时的大电流需求。此时，电容作为瞬时电源，可以迅速提供所需的电流，保证芯片正常工作。电容释放的瞬时电流可以保证芯片不会因为瞬时电流需求得不到满足而造成性能下降或工作不稳定。

四、降低功耗

在复杂的电子系统中，电源供应可能经历多级降压后才达到芯片的供电电压。在这个过程中，降压器件本身会产生一些损耗，而电容可以减少这种损耗。在供电路径上串联的电容可以储存一部分能量，在芯片工作的间歇期释放这些能量，从而减少从电源线上抽取的能量，降低整个系统的功耗。

在电子线路中，集成芯片引脚相连的电容主要用于存储电荷和能量、滤波去耦，保证电路的稳定性和信号完整性。具体来说：

电源滤波：大容量电解电容用于低频情况下的能量储存和补充，确保电源的稳定供应。而靠近芯片电源脚的电容则针对高频特性进行滤波，减少电源噪声。

去耦：去耦电容能够缓解电路间的耦合干扰，特别是在驱动信号源与负载电容之间存在较大电容时，去耦电容能提供快速的能量响应，防止电流波动引发的噪声。去耦电容的容量通常较大，如10uF，以适应电路需求。

高频旁路：高频旁路电容主要用于旁路高频噪声，容量一般较小，如0.1uF或0.01uF，有助于减少高频信号对电路其他部分的干扰。