低壓差調(diào)節(jié)器—為什么選擇旁路電容很重要

簡介

雖然人們普遍認為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，但是電容的價值并不僅限于此。設(shè)計人員常常只想到添加幾個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，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)的問題，其電容值會隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感。

雖然人們普遍認為電容是解決噪聲相關(guān)問題的靈丹妙藥，但是電容的價值并不僅限于此。設(shè)計人員常常只想到添加幾個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，電容會帶來寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)的問題，其電容值會隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應(yīng)也非常敏感。

設(shè)計人員在選擇旁路電容時，以及電容用于濾波器、積分器、時序電路和實際電容值非常重要的其它應(yīng)用時，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?！案戒洝辈糠謱@三類電容進行了比較。

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，電容值會隨著溫度、直流偏置和交流信號電壓動態(tài)變化。另外，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動或機械沖擊轉(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，但在極端情況下，機械力可以產(chǎn)生毫伏級噪聲。

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用到。不過，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在對噪聲敏感的應(yīng)用中時，設(shè)計人員必須仔細評估這些副作用。

固態(tài)鉭電解電容

與陶瓷電容相比，固態(tài)鉭電容對溫度、偏置和振動效應(yīng)的敏感度相對較低。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于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定，因此選擇標(biāo)準僅包括容差、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遠大于等值陶瓷電容，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)的缺點是此類鉭電容對無鉛焊接過程中的高溫更為敏感，因此制造商通常會規(guī)定電容在焊接時不得超過三個焊接周期。組裝過程中若忽視此項要求，則可能導(dǎo)致長期穩(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、漏電流相對較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時計）。而OS-CON電容則采用有機半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實現(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。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LDO電路選擇電容輸出電容

ADI公司的低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)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。

輸出電容還會影響調(diào)節(jié)器對負載電流變化的響應(yīng)。控制環(huán)路的大信號帶寬有限，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。當(dāng)負載電流以500 mA/μs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時，1μF電容無法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80mV的負載瞬態(tài)，如圖1所示。當(dāng)電容增加到10 μF時，負載瞬態(tài)會降至約70 mV，如圖2所示。當(dāng)輸出電容再次增加并達到20 μF時，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進行跟蹤，主動降低負載瞬態(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)(C_OUT = 1 μF)

圖2. 瞬態(tài)響應(yīng)(C_OUT = 10 μF)

圖3. 瞬態(tài)響應(yīng)(C_OUT = 20 μF)

輸入旁路電容

在V_IN和GND之間連接一個1 μF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信號源阻抗的情況下。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1所示：C_EFF = C_BIAS × (1 – TVAR) × (1 –TOL)(1)

其中，C_BIAS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要求。

總結(jié)

為保證LDO的性能，必須正確認識并嚴格評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

圖A. 用于電源旁路的常用電容

從頂部開始沿順時針方向依次為（刻度為毫米）：
100 μF/6.3 V聚合物固態(tài)鋁電容
1 μF/35 V和10 μF/25 V固態(tài)鉭電容
1 μF/25 V、4.7 μF/16 V和10 μF/25 V多層陶瓷電容
10 μF/16 V和22 μF/25 V鋁電解電容