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為什么選擇旁路電容很重要？

發(fā)布時(shí)間：2017-08-24 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】雖然人們普遍認(rèn)為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，但是電容的價(jià)值并不僅限于此。設(shè)計(jì)人員常常只想到添加幾個(gè)電容就可以解決大多數(shù)噪聲問題，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數(shù)。然而，與所有電子器件一樣，電容并不是十全十美的，相反，電容會(huì)帶來寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)的問題，其電容值會(huì)隨溫度和電壓而變化，而且電容對(duì)機(jī)械效應(yīng)也非常敏感。

設(shè)計(jì)人員在選擇旁路電容時(shí)，以及電容用于濾波器、積分器、時(shí)序電路和實(shí)際電容值非常重要的其它應(yīng)用時(shí)，都必須考慮這些因素。若選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定、噪聲和功耗過大、產(chǎn)品生命周期縮短，以及產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的電路行為。

電容技術(shù)

電容具有各種尺寸、額定電壓和其它特性，能夠滿足不同應(yīng)用的具體要求。常用電介質(zhì)材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)均具有特定屬性，決定其是否適合特定的應(yīng)用。

在電壓調(diào)節(jié)器中，以下三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容：多層陶瓷電容、固態(tài)鉭電解電容和鋁電解電容。"附錄"部分對(duì)這三類電容進(jìn)行了比較。

多層陶瓷電容

多層陶瓷電容(MLCC)不僅尺寸小，而且將低ESR、低ESL和寬工作溫度范圍特性融于一體，可以說是旁路電容的首選。不過，這類電容也并非完美無缺。根據(jù)電介質(zhì)材料不同，電容值會(huì)隨著溫度、直流偏置和交流信號(hào)電壓動(dòng)態(tài)變化。另外，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動(dòng)或機(jī)械沖擊轉(zhuǎn)換為交流噪聲電壓。大多數(shù)情況下，此類噪聲往往以微伏計(jì)，但在極端情況下，機(jī)械力可以產(chǎn)生毫伏級(jí)噪聲。

電壓控制振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、RF功率放大器(PA)和其它模擬電路都對(duì)供電軌上的噪聲非常敏感。在VCO和PLL中，此類噪聲表現(xiàn)為相位噪聲；在RF PA中，表現(xiàn)為幅度調(diào)制；而在超聲、CT掃描以及處理低電平模擬信號(hào)的其它應(yīng)用中，則表現(xiàn)為顯示偽像。盡管陶瓷電容存在上述缺陷，但由于尺寸小且成本低，因此幾乎在每種電子器件中都會(huì)用到。不過，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評(píng)估這些副作用。

固態(tài)鉭電解電容

與陶瓷電容相比，固態(tài)鉭電容對(duì)溫度、偏置和振動(dòng)效應(yīng)的敏感度相對(duì)較低。新興一種固態(tài)鉭電容采用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)，而非常見的二氧化錳電解質(zhì)，其浪涌電流能力有所提高，而且無需電流限制電阻。此項(xiàng)技術(shù)的另一好處是ESR更低。固態(tài)鉭電容的電容值可以相對(duì)于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。

導(dǎo)電聚合物鉭電容具有低ESR特性，成本高于陶瓷電容而且體積也略大，但對(duì)于不能忍受壓電效應(yīng)噪聲的應(yīng)用而言可能是唯一選擇。不過，鉭電容的漏電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容，因此不適合一些低電流應(yīng)用。

固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點(diǎn)是此類鉭電容對(duì)無鉛焊接過程中的高溫更為敏感，因此制造商通常會(huì)規(guī)定電容在焊接時(shí)不得超過三個(gè)焊接周期。組裝過程中若忽視此項(xiàng)要求，則可能導(dǎo)致長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題。

鋁電解電容

傳統(tǒng)的鋁電解電容往往體積較大、ESR和ESL較高、漏電流相對(duì)較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時(shí)計(jì)）。而OS-CON電容則采用有機(jī)半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實(shí)現(xiàn)較低的ESR。這類電容雖然與固態(tài)聚合物鉭電容相關(guān)，但實(shí)際上要比鉭電容早10年或更久。由于不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統(tǒng)的鋁電解電容長(zhǎng)。大多數(shù)電容的工作溫度上限為105°C，但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容，但是與陶瓷電容或固態(tài)聚合物鉭電容相比，往往體積更大且ESR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣，這類電容不受壓電效應(yīng)影響，因此適合低噪聲應(yīng)用。

為L(zhǎng)DO電路選擇電容輸出電容輸出電容

ADI公司的低壓差調(diào)節(jié)器(LDOs)可以與節(jié)省空間的小型陶瓷電容配合使用，但前提是這些電容具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)；輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，建議采用至少1 µF且ESR最大為1 Ω的電容。

輸出電容還會(huì)影響調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載電流變化的響應(yīng)。控制環(huán)路的大信號(hào)帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流以500 mA/µs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時(shí)，1µF電容無法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80 mV的負(fù)載瞬態(tài)，如圖1所示。當(dāng)電容增加到10 µF時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)會(huì)降至約70 mV，如圖2所示。當(dāng)輸出電容再次增加并達(dá)到20 µF時(shí)，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動(dòng)降低負(fù)載瞬態(tài)，如圖3所示。這些示例都采用線性調(diào)節(jié)器ADP151其輸入和輸出電壓分別為5 V和3.3 V。

圖1. 瞬態(tài)響應(yīng) COUT = 1 µF.

圖2. 瞬態(tài)響應(yīng) COUT = 10 µF.

圖3. 瞬態(tài)響應(yīng) COUT= 20 µF.輸入旁路電容

在VIN和 GND 之間連接一個(gè)1 μF電容可以降低電路對(duì)PCB布局的敏感性，特別是在長(zhǎng)輸入走線或高信號(hào)源阻抗的情況下。如果輸出端上要求使用1 μF以上的電容，則應(yīng)增加輸入電容，使之與輸出電容匹配。

輸入和輸出電容特性

輸入和輸出電容必須滿足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造，溫度和電壓不同，其特性也不相同。對(duì)于5 V應(yīng)用，建議采用電壓額定值為6.3 V至10 V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳，因此不適合與LDO一起使用。

圖4所示為采用0402封裝的1 μF、10 V X5R電容與偏置電壓之間的關(guān)系。電容的封裝尺寸和電壓額定值對(duì)其電壓穩(wěn)定性影響極大。一般而言，封裝尺寸越大或電壓額定值越高，電壓穩(wěn)定性也就越好。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40℃至+85°C溫度范圍內(nèi)為±15%，與封裝或電壓額定值沒有函數(shù)關(guān)系。

圖4. 電容與電壓的特性關(guān)系

要確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況下電容，可用溫度變化率和容差來調(diào)整標(biāo)稱電容，如公式所示：

CEFF= CBIAS× (1 – TVAR) × (1 –TOL)

其中CBIAS是工作電壓下的標(biāo)稱電容； TVAR 是溫度范圍內(nèi)最差情況下的電容變化率（百分率）； TOL 是最差情況下的元件容差（百分率）。

本例中，X5R電介質(zhì)在–40°C至+85°C范圍內(nèi)的TVAR為15%；TOL為10%；CBIAS在1.8 V時(shí)為0.94 μF，如圖4所示。將這些值代入公式1，即可得出：

CEFF= 0.94 µF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 µF

在工作電壓和溫度范圍內(nèi)，ADP151的最小輸出旁路電容額定值為0.70 μF，因而此電容符合該項(xiàng)要求。

總結(jié)

為保證LDO的性能，必須正確認(rèn)識(shí)并嚴(yán)格評(píng)估旁路電容的直流偏置、溫度變化率和容差。在要求低噪聲、低漂移或高信號(hào)完整性的應(yīng)用中，也必須考慮電容技術(shù)。所有電容都存在一些不夠理想的行為效應(yīng)，因此所選的電容技術(shù)必須與應(yīng)用需求相適應(yīng)。

附錄