簡(jiǎn)介
雖然人們普遍認為電容是解決噪聲相關(guān)問(wèn)題的靈丹妙藥，但是電容的價(jià)值并不僅限于此。設計人員常常只想到添加幾個(gè)電容就可以解決大多數噪聲問(wèn)題，但卻很少去考慮電容和電壓額定值之外的參數。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(lái)寄生等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)的問(wèn)題，其電容值會(huì )隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應也非常敏感。
設計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用時(shí)，都必須考慮這些因素。若選擇不當，則可能導致電路不穩定、噪聲和功耗過(guò)大、產(chǎn)品生命周期縮短，以及產(chǎn)生不可預測的電路行為。
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(mǎn)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、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用。
在電壓調節器中，以下三大類(lèi)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。下表對這三類(lèi)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(shuō)是旁路電容的首選。不過(guò)，這類(lèi)電容也并非完美無(wú)缺。根據電介質(zhì)材料不同，電容值會(huì )隨著(zhù)溫度、直流偏置和交流信號電壓動(dòng)態(tài)變化。另外，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動(dòng)或機械沖擊轉換為交流噪聲電壓。大多數情況下，此類(lèi)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(lèi)噪聲表現為相位噪聲；在RF PA中，表現為幅度調制；而在超聲、CT掃描以及處理低電平模擬信號的其它應用中，則表現為顯示偽像。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(guò)，當調節器用在對噪聲敏感的應用中時(shí)，設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(dòng)效應的敏感度相對較低。新興一種固態(tài)鉭電容采用導電聚合物電解質(zhì)，而非常見(jiàn)的二氧化錳電解質(zhì)，其浪涌電流能力有所提高，而且無(wú)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定，因此選擇標準僅包括容差、工作溫度范圍內的降壓情況以及最大ESR。
導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噪聲的應用而言可能是唯一選擇。不過(guò)，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用。
固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點(diǎn)是此類(lèi)鉭電容對無(wú)鉛焊接過(guò)程中的高溫更為敏感，因此制造商通常會(huì )規定電容在焊接時(shí)不得超過(guò)三個(gè)焊接周期。組裝過(guò)程中若忽視此項要求，則可能導致長(cháng)期穩定性問(wèn)題。
鋁電解電容
傳統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（以數千小時(shí)計）。而OS-CON電容則采用有機半導體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實(shí)現較低的ESR。這類(lèi)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(wèn)題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統的鋁電解電容長(cháng)。大多數電容的工作溫度上限為105℃，但現在OS-CON型電容可以在最高125℃的溫度范圍內工作。
雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統的鋁電解電容，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(lèi)電容不受壓電效應影響，因此適合低噪聲應用。
三種用于電源旁路的常用電容
從頂部開(kāi)始沿順時(shí)針?lè )较蛞来螢椋ǹ潭葹楹撩祝?
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
為L(cháng)DO電路選擇電容輸出電容
ADI公司的低壓差調節器(LDO)可以與節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)路的穩定性。為確保穩定性，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 )影響調節器對負載電流變化的響應�？刂骗h(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負載電流。當負載電流以500 mA/μs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時(shí)，1μF電容無(wú)法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80 mV的負載瞬態(tài)，如圖1所示。當電容增加到10 μF時(shí)，負載瞬態(tài)會(huì )降至約70 mV，如圖2所示。當輸出電容再次增加并達到20 μF時(shí)，調節器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動(dòng)降低負載瞬態(tài)，如圖3所示。這些示例都采用線(xiàn)性調節器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(COUT=1 μF)
圖2:瞬態(tài)響應(COUT=10 μF)
圖:瞬態(tài)響應(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PCB布局的敏感性，特別是在長(cháng)輸入走線(xiàn)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(mǎn)足預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，電壓穩定性也就越好。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40℃至+85℃溫度范圍內為±15%，與封裝或電壓額定值沒(méi)有函數關(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的最差情況下電容，可用溫度變化率和容差來(lái)調整標稱(chēng)電容，
如公式1所示：CEFF = CBIAS × (1 – TVAR) × (1 –TOL)(1)
其中，CBIAS是工作電壓下的標稱(chēng)電容；TVAR是溫度范圍內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5R電介質(zhì)在–40℃至+85℃范圍內的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，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
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，因此所選的電容技術(shù)必須與應用需求相適應。 |
