為什么旁路電容器的選擇很重要

電容器被廣泛視為解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，值得更多尊重。設(shè)計人員通常認為增加幾個電容器可以解決大多數(shù)噪聲問題，但很少考慮電容和額定電壓以外的參數(shù)。然而，像所有電子元件一樣，電容器并不完美。相反，它們具有寄生有效串聯(lián)電阻 （ESR） 和電感 （ESL）;它們的電容隨溫度和電壓而變化;它們對機械效應(yīng)很敏感。

設(shè)計人員在選擇旁路電容時，以及在濾波器、積分器、定時電路和其他實際電容值很重要的應(yīng)用中使用時，必須考慮這些因素。選擇不當會導(dǎo)致電路不穩(wěn)定、噪聲和功耗過大、產(chǎn)品壽命縮短以及電路行為不可預(yù)測。

電容器技術(shù)

電容器具有多種外形尺寸、額定電壓和其他特性，可滿足各種應(yīng)用的要求。常用的介電材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)都有特定的特性，會影響其對特定應(yīng)用的適用性。

在穩(wěn)壓器中，通常使用三大類電容器作為電壓輸入和輸出旁路電容器：多層陶瓷電容器、固體鉭電解電容器和鋁電解電容器。附錄提供了比較。

多層陶瓷

多層陶瓷電容器 （MLCC） 兼具小尺寸、低 ESR、低 ESL 和寬工作溫度范圍，使其成為旁路電容器的首選。然而，它們并非沒有缺點。根據(jù)介電材料的不同，電容會隨溫度、直流偏置和交流信號電平而發(fā)生顯著變化。此外，介電材料的壓電性質(zhì)可以將振動或機械沖擊轉(zhuǎn)化為交流噪聲電壓。在大多數(shù)情況下，這種噪聲往往在微伏量級，但在極端情況下，機械力會產(chǎn)生毫伏范圍內(nèi)的噪聲。

壓控振蕩器 （VCO）、鎖相環(huán) （PLL）、RF 功率放大器 （PA） 和其他模擬電路對其電源軌上的噪聲很敏感。這種噪聲表現(xiàn)為VCO和PLL中的相位噪聲、RF PA中的幅度調(diào)制以及超聲、CT掃描和其他處理低電平模擬信號的應(yīng)用中的顯示偽影。盡管存在這些缺陷，但幾乎所有電子設(shè)備都使用陶瓷電容器，因為它們占地面積小，成本低。然而，對于噪聲敏感型應(yīng)用中使用的穩(wěn)壓器，設(shè)計人員必須仔細評估其副作用。

固體鉭電解

與陶瓷電容器相比，固體鉭電容器對溫度、偏置和振動的影響不太敏感。最近的一種變體使用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)代替通常的二氧化錳電解質(zhì)，提供改進的浪涌電流能力，并且無需限流電阻器。較低的 ESR 是該技術(shù)的另一個好處。固態(tài)鉭電容器在溫度和偏置電壓下具有穩(wěn)定的電容，因此選擇標準只需考慮容差、工作溫度下的電壓降額和最大 ESR。

具有低ESR的導(dǎo)電聚合物鉭電容器成本更高，并且比陶瓷電容器大一些，但對于由于壓電效應(yīng)而無法承受噪聲的應(yīng)用來說，這可能是唯一的選擇。然而，鉭電容器的漏電流遠大于等值陶瓷電容器，因此不適合某些低電流應(yīng)用。

固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的一個缺點是這種類型的鉭電容器對無鉛（Pb）焊接過程中遇到的高溫更敏感，制造商通常規(guī)定電容器的焊接周期不超過三個。在裝配過程中忽略此要求可能會導(dǎo)致長期的可靠性問題。

鋁電解

傳統(tǒng)的鋁電解電容器往往很大，具有高ESR和ESL，相對較高的泄漏電流和有限的使用壽命 - 以數(shù)千小時為單位。OS-CON電容器采用有機半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極來實現(xiàn)低ESR。雖然與固體聚合物鉭電容器有關(guān)，但它們實際上比鉭電容器早了 10 年或更長時間。由于沒有液體電解質(zhì)變干，OS-CON型電容器的使用壽命優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器。大多數(shù)電容器限制在 105°C，但現(xiàn)在提供能夠 125°C 工作的 OS-CON 型電容器。

雖然OS-CON型電容器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容器，但它們往往比陶瓷或固體聚合物鉭電容器更大，ESR更高。與固體聚合物鉭電容器一樣，它們不會受到壓電效應(yīng)的影響，因此適用于低噪聲應(yīng)用。

為LDO電路選擇電容器

輸出電容

ADI公司的低壓差穩(wěn)壓器（LDO）可以使用小型、節(jié)省空間的陶瓷電容工作，只要它們具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）;輸出電容的ESR會影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，建議最小電容為1 μF，最大ESR為1 Ω。

輸出電容也會影響穩(wěn)壓器對負載電流變化的響應(yīng)。控制環(huán)路具有有限的大信號帶寬，因此輸出電容必須為非?？焖俚乃沧兲峁┐蟛糠重撦d電流。當負載電流在500 mA/μs時從1 mA切換到200 mA時，無法提供足夠電流的1 μF電容會產(chǎn)生約80 mV的負載瞬變，如圖1所示。將電容增加到10 μF可將負載瞬變降至約70 mV，如圖2所示。將輸出電容進一步增加到20 μF，允許穩(wěn)壓器控制環(huán)路跟蹤，從而主動降低負載瞬變，如圖3所示。這些示例使用具有5 V輸入和3.3 V輸出的線性穩(wěn)壓器ADP151。

圖1.COUT = 1 μF時的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖2.COUT = 10 μF時的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3.COUT = 20 μF時的瞬態(tài)響應(yīng)。

輸入旁路電容器

從V連接1 μF電容在接地會降低電路對印刷電路板 （PCB） 布局的敏感性，尤其是在遇到長輸入走線或高源阻抗時。當輸出端需要超過1 μF時，增加輸入電容以匹配輸出電容。

輸入和輸出電容器屬性

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低電容要求。陶瓷電容器具有多種電介質(zhì)，每種電介質(zhì)相對于溫度和電壓具有不同的行為。對于 5V 應(yīng)用，建議使用 6.3V 至 10V 額定電壓的 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。Y5V 和 Z5U 電介質(zhì)的特性相對于溫度和直流偏置較差，因此不適合與 LDO 一起使用。

圖4顯示了采用0402封裝的1μF、10V X5R電容器的電容與偏置電壓特性的關(guān)系。電容器的封裝尺寸和額定電壓對其電壓穩(wěn)定性有很大影響。通常，更大的封裝或更高的額定電壓將提供更好的電壓穩(wěn)定性。X5R 電介質(zhì)在 –40°C 至 +85°C 溫度范圍內(nèi)的溫度變化為 ±15%，與封裝或額定電壓無關(guān)。

圖4.電容與電壓特性的關(guān)系

為了確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況電容，請根據(jù)溫度變化和容差來調(diào)整標稱電容，如公式1所示：

其中CBIAS是工作電壓下的標稱電容;TVAR是溫度變化的最差情況電容（作為1的分數(shù)）;TOL 是最差情況下的組件容差（作為 1 的分數(shù)）。

在本例中，對于 X5R 電介質(zhì)，TVAR 在 –40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)為 15%;托爾為10%;CBIAS在1.8 V時為0.94 μF，如圖4所示。在公式1中使用這些值得到：

ADP151在工作電壓和溫度范圍內(nèi)的最小輸出旁路電容為0.70 μF，因此該電容滿足這一要求。

結(jié)論

為了保證LDO的性能，必須了解和評估直流偏置、溫度變化和旁路電容容差的影響。在需要低噪聲、低漂移或高信號完整性的應(yīng)用中，還必須考慮電容技術(shù)。所有電容器都會受到非理想行為的影響，因此選擇的電容器技術(shù)必須符合應(yīng)用的需求。

審核編輯：郭婷