电路设计基本元件该如何选择？

电感、电阻以及电容这三种基本元件，是任何硬件电路都离不开的，可以说这些元件不仅关系到硬件电路整体的稳定性，还决定了电子设备质量的优劣。因此在一个硬件电路中，对于电阻、电容以及电感这些基本元件的选择有许多值得说道的地方。
 

 
 

就像电容这类元件，除了它的电容量和工作电压外，还有很多其他的特性需要考量。和电容标称容量并联的就有漏电阻、介电吸收这些考量点，串联的则有电感、有效串联电阻这些影响因素。任何元件的选择决定因素从来都不是单一的。
 
选择电容该考虑哪些方面？
 
用在高频短路的电容，众所周知它需要很小的电感。如果IC的电源阴线没有做高频短路，那么因为走线而产生的寄生效应会产生谐振和振荡。即便是低频IC，也含有数百或数千赫兹的晶体管。因此在这类应用下，这些去耦电容的精度和稳定性相对就不是那么重要，如何选择足够小电感才是最关键的。所以说对于如何选择电容，除了最简单的电容量之外，还有许多复杂的考量，毕竟电容值不仅与温度和电压有关，对机械效应也非常敏感。
 
首先介质的不同就已经确定了电容的特有属性，像作为电压输入和输出旁路电容的三大类电容——多层陶瓷电容、固态钽电解电容、铝电解电容，就各有其特定的应用。如果考虑低寄生等效串联电阻和低电感，多层陶瓷电容就能很好地解决，而且其尺寸也是较小的。但其对噪声的抑制并没有那么好的效果。其电介质材料的压电特性会将振动或机械冲击转换为交流噪声电压，噪声级别在极端情况下会达到毫伏级。在噪声敏感类应用中，多层陶瓷电容虽然尺寸小成本低，但是噪声副作用就得好好评估了。
 
固态钽电解电容的寄生等效串联电阻会更低，对温度、偏执、震动的敏感度也较低。但是问题在于其漏电流要远高于其他介质的电容，极不适用于低电流的应用。虽然在尺寸和成本上会越高一些，但是对压电效应噪声高度敏感的应用，如果还要兼顾低寄生等效串联电阻，那没有比这个更好的选择了。值得一提的是，采用导电聚合物电解质的此类电容，其浪涌电流能力能提高很多，不需要电流限制电阻。
 
这里我们探讨铝电解电容，指的是采用有机半导体电解质和铝箔阴极的这类铝电解电容。毕竟传统的铝电解电容已经没有什么优势。采用有机半导体电解质和铝箔阴极的这类铝电解电容同样不受压电效应噪声影响，对于低噪声的应用是不错的选择。不过其更大的尺寸和更高寄生等效串联电阻需要设计人员再评估了。
 
对于需要较大电容的应用，将多个电容并联起来是不错的选择，这样电容增加的同时有效串联电阻和有效串联电感也会更低。
 
电阻选择最大的考量
 
精密电流源的精度，很大程度上取决于放大器和电阻，合适的选取外部电阻可以很大程度上减少误差。实际应用中的电阻不可能是理想状态的，必然要为每个电阻指定容差。极低容差的电阻成本昂贵，必须要在精度和成本上好好权衡。换一种思路，也可以选择集成差动放大器来实现更好的电阻匹配。
 
新式的FPGA以及处理器的内核电压更低，对容差的要求更严格，1V内核的FPGA，5%容差也只有50mV。另一个关键的影响因素是电阻温度系数，以0.8V电压源，额定温度系数分别为＋100ppm/℃、－100/℃的一组电阻为例，温度升高100℃会带来额外0.4%的误差。温度系数更低的电阻也不少，但是成本仍然是摆在面前最大的考量。
 
电感选型同样不可忽视
 
电感设计中一个行之有效的方案是让开关频率始终比电感的自谐振频率低10倍，这也不难做到。需要考虑的是电感的功率损耗会引起电感温度升高和效率降低。功率的损耗一是来自绕组电阻的损耗，一是来自铁芯内磁滞和涡电流的综合效应。获取绕组电阻损耗相对容易一些，铁芯的损耗计算则十分困难，基本只能从电感制造商处获取损耗信息。
 
如何选择合适的电感值是一个繁琐的计算，但是简单来说，如果需要更低的DCR、更高的饱和电流、更快的开关频率以及更好的瞬态响应，低值电感更合适；如何需要更低的纹波电流、更低的铁芯损耗，那么高值电感更具有似乎。另外，电感的饱和电流一般范围在10%到30%之间，在电感选择上一定要注意饱和电流随温度变化的情况。
 
另外有关目前屏蔽电感与无屏蔽电感的选择，如果应用对于EMI问题较为敏感（尤其是开关频率较高的应用），那么选择成本昂贵的屏蔽电感也是值得的。
 
小结
 
这些电路基本元件对于器件总体性能的影响巨大，不管是效率、尺寸、输出功率还是整体成本都很依赖于所选的外部元件。在选取这些基本元件时，必须要仔细分析性能要求，做出性能和成本的权衡。