為什么電容的選擇至關重要

為什么電容的選擇至關重要?

電容往往被人們所忽視。電容既沒有數(shù)十億計的晶體管,也沒有采用最新的亞微米制造工藝。在許多工程師的心目中,電容不過是兩個導體加上中間的隔離電解質(zhì)?？偠灾?它們屬于最低級的電子元件之一。
工程師們通常通過添加一些電容的辦法來解決噪聲問題。這是因為他們普遍將電容視為解決噪聲相關問題的“靈丹妙藥”,很少考慮電容和額定電壓以外的參數(shù)。但是,和其他電子元器件一樣,電容也有缺陷,例如寄生電容、電感、電容溫漂和電壓偏移等非理想特性。
為許多旁路應用或電容實際容值非常重要的應用選擇電容時,必須考慮上述這些因素。電容選擇不當可能會導致電路不穩(wěn)定,噪聲或功耗過大,產(chǎn)品壽命縮短,以及電路行為不可預測等現(xiàn)象。

電容技術

電容具有各種尺寸、額定電壓和其它特性,能夠滿足不同應用的具體要求。常用電介質(zhì)材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、各種聚合物薄膜和金屬氧化物。每一種電解質(zhì)都具有一系列特定屬性,可滿足每種應用的獨特需求。
在電壓調(diào)節(jié)器中,有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。

多層陶瓷電容

多層陶瓷電容(MLCC)同時具有小型、有效串聯(lián)電阻和電感 (ESR和ESL)低、工作溫度范圍寬的優(yōu)點,通常是作為旁路電容的首選。

它并非無可挑剔。根據(jù)所用的電介質(zhì)材料,電容可能隨溫度變化和交直流偏置發(fā)生大幅偏移。此外,因為在許多陶瓷電容中介電質(zhì)材料具有壓電性,振動或機械沖擊可能會轉(zhuǎn)化為電容上的交流噪聲電壓。在大部分情況下,此噪聲一般處于 微伏范圍內(nèi)。但在極端情況下,可能會產(chǎn)生毫伏級的噪聲。

VCO、PLL、RF PA以及低電平模擬信號鏈等應用對電源軌上的噪聲非常敏感。這種噪聲在VCO和PLL中表現(xiàn)為相位噪聲,而在RFPA中則為載波振幅調(diào)制。在EEG、超聲波和CAT掃描前置放大器等低電平信號鏈應用中,噪聲會導致在這些儀器的輸出中出現(xiàn)雜散噪音。在所有這些噪聲敏感應用中,必須認真評估多層陶瓷電容。
選擇陶瓷電容時是否考慮溫度和電壓效應非常重要。多層陶瓷電容選型部分談到了根據(jù)公差和直流偏置特性來確定某個電容的最小電容值的過程。
雖然陶瓷電容仍有缺點,但對于許多應用都能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸最 小、性價比最高的解決方案,因此在當今幾乎每一類電子設 備上都能看到它們的身影。

固態(tài)鉭電解電容

這種電容單位體積電容最高(CV乘積)。只有雙層或超級電容才具有更高的CV乘積。
在1μF范圍內(nèi),陶瓷仍然更小且ESR低于鉭,但固態(tài)鉭電容不太會受到溫度、偏置電壓或震動效應的影響。鉭比陶瓷電容貴好幾倍,但在無法容忍壓電效應的低噪聲應用中,鉭常常是唯一可行的選擇。
市面上的傳統(tǒng)低值固態(tài)鉭電容所用外殼往往一般較小,故等效串聯(lián)電阻(ESR)較高。大容值(>68 μF)鉭電容可具有低于1Ω的ESR,但一般體積較大。
最近市場上出現(xiàn)了一種新鉭電容,它使用導電聚合物電解質(zhì)代替普通的二氧化錳固態(tài)電解質(zhì)。過去,固態(tài)鉭電容浪涌電流能力有限,需要一個串聯(lián)電阻將浪涌電流限制在安全值內(nèi)。導電聚合物鉭電容不會受到浪涌電流限制。這項技術的另一好處是電容ESR更低。
任何鉭電容的泄漏電流比等值陶瓷電容大好幾倍,可能不適合超低電流應用。
例如,在85°C工作溫度下,1μF/25V鉭電容在額定電壓下的最大泄漏電流為2.5μA。
多家廠商提供0805外殼、1μF/25V、500mΩESR的導電聚合物鉭電容。雖然比0402或0603外殼的典型1μF陶瓷電容更大一些,但0805在RF和PLL等以低噪聲為主要設計目標的應用中, 電容尺寸還是明顯有所縮小。
因為固態(tài)鉭電容的電容值可以相對于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定的電容特性,因此選擇標準僅包括容差、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。
固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術的一大缺點是,這類鉭電容在無鉛焊接工藝中更容易受高溫影響。一般情況下,制造商會詳細說明電容不得暴露于三個以上的焊接周期。如果在裝配工藝中忽視這一要求,就會導致長期可靠性問題。

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、漏電流相對較高且使用壽命有限(以數(shù)千小時計)。
OS-CON型電容是一種與固態(tài)聚合物鉭電容有關的技術,實際上比鉭電容早10年或更早就問世了。它們采用有機半導體電解質(zhì)和鋁箔陰極,以實現(xiàn)較低的ESR。因為不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題,OS-CON型電容的使用壽命比傳統(tǒng)鋁電解電容有了很大的提高。
目前市面的OS-CON型電容可承受125°C高溫,但大多數(shù)仍停留在105°C。
雖然OS-CON型電容的性能比傳統(tǒng)的鋁電解電容明顯改善,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、ESR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣,它們不受壓電效應影響, 適合要求低噪聲的應用場合。

多層陶瓷電容選型

輸出電容

ADI公司LDO設計采用節(jié)省空間的小型陶瓷電容工作,但只要考慮ESR值,便可以采用大多數(shù)常用電容。輸出電容的ESR會影響LDO控制回路的穩(wěn)定性。為了確保LDO穩(wěn)定工作,推薦使用至少1μF、ESR為1Ω或更小的電容。
輸出電容還會影響負載電流變化的瞬態(tài)響應。采用較大的輸出電容值可以改善LDO對大負載電流變化的瞬態(tài)響應。圖1至3所示為輸出電容值分別為1μF、10μF和20μF的ADP151的瞬態(tài)響應。

因為LDO控制環(huán)路的帶寬有限,因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負載電流。1μF電容無法持續(xù)很長時間供應電流并產(chǎn)生約80mV的負載瞬變。10μF電容將負載瞬變降低至約70mV。將輸出電容提高至20μF,LDO控制回路就可捕捉并主動降低負載瞬變。測試條件如表1所示。

表1. 測試條件

圖1.輸出負載瞬態(tài)響應,COUT = 1 μF

圖2.輸出瞬態(tài)負載響應,COUT = 10 μF

圖3.輸出負載瞬態(tài)響應,COUT = 20 μF

輸入旁路電容

在VIN和GND之間連接一個1μF電容可以降低電路對PCB布局的敏感性,特別是在長輸入走線或高源阻抗的情況下。如果要求輸出電容大于1μF,應選用更高的輸入電容。

輸入和輸出電容特性

只要符合最小電容和最大ESR要求,LDO可以采用任何質(zhì)量良好的電容。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造,溫度和所施加的電壓不同,其特性也不相同。電容必須具有足以在工作溫度范圍和直流偏置條件下確保最小電容的電介質(zhì)。建議在5V應用中使用電壓額定值為6.3V或10V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,建議不要使用。
圖4所示為0402、1μF、10V、X5R電容的電容與電壓偏置關系特性。電容的電壓穩(wěn)定性受電容封裝尺寸和電壓額定值影響極大。一般來說,封裝較大或電壓額定值較高的電容具有更好的電壓穩(wěn)定性。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40°C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)關系。

考慮電容隨溫度、元件容差和電壓的變化時,可以利用公式1確定最差情況下的電容。

公式1

其中:

CBIAS為工作電壓下的有效電容。
TVAR為最差情況下電容隨溫度的變化量(幾分之一)。
TOL為最差情況下的元件容差(幾分之一)。

本例中,假定X5R電介質(zhì)在?40°C至+85°C范圍內(nèi)的最差情況電容(TVAR)為0.15(15%)。假設電容容差(TOL)為0.10(10%), CBIAS在1.8 V時為0.94μF,如圖4所示。

將這些值代入公式1中可得到:

在此示例中,LDO指定在期望工作電壓和溫度范圍內(nèi)的最小輸出旁通電容為0.70μF。因此,針對此應用所選的電容滿足此要求。

圖4. 電容與電壓偏置特性的關系

結束語

為了保證LDO的性能,必須了解并評估旁通電容的直流偏置、溫度變化和容差對所選電容的影響。此外,在要求低噪聲、低漂移或高信號完整性的應用中,也必須認真考慮電容技術。所有電容都會受到非理想行為的影響,但一些電容技術比其他技術更適合于某些特定應用。