電容器的選擇關(guān)鍵

 

針對(duì)任何應(yīng)用選擇電容器時(shí)，必須了解一些關(guān)鍵特性，以便分析其電路適用性。在簡(jiǎn)單的電容器等效電路模型中，三個(gè)關(guān)鍵特性影響電路性能：

 

電容、等效串聯(lián)電阻（ESR）和電感。

 

本技術(shù)說(shuō)明中，我們將研究鉭電容器的ESR如何影響電路性能。ESR是構(gòu)成電容器阻抗所有純阻性負(fù)載的總和。因此，這是一種熱損耗特性。電容器工作時(shí)，還會(huì)影響充放電電流的大小。在固體鉭電容器中，ESR由以下幾個(gè)部分的阻抗構(gòu)成：

 

● 固體電解質(zhì)系統(tǒng)（MnO2）

● 介電層（Ta2O5）

● 端子、引線(xiàn)框和其他連接PCB的元件

 

固體鉭電容器制造商可在物理設(shè)計(jì)和材料方面做出改進(jìn)，降低電容器的整體 ESR。這些ESR較低的電容器可以減少電容器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，從而提高整體電路效率和長(zhǎng)期可靠性。降低ESR還可以增加電容器充放電期間的電流，從而提高電路性能。常見(jiàn)的阻抗（Z）和ESR數(shù)據(jù)典型值如圖1所示。

 

圖 1：ESR典型數(shù)據(jù)值

 

鉭電容器兩個(gè)主要功能為：大容量?jī)?chǔ)能和紋波濾波。我們將在下面更詳細(xì)地討論這些應(yīng)用。

 

1 大容量

 

除了最大工作電壓和電壓降額，電容器的一個(gè)重要特性是存儲(chǔ)電荷的能力。有些應(yīng)用要求電容器存儲(chǔ)大量電荷。固體鉭電容器具有高度穩(wěn)定的容值，非常適合大容量?jī)?chǔ)能，廣泛用于峰值電流期間保持電壓穩(wěn)定。這方面，必須考慮兩個(gè)因素。

 

● 首先是電容提供必要能量所需的總?cè)萘俊Ｓ行┣闆r下，單個(gè)鉭電容器就足夠了，但在更苛刻的應(yīng)用中，需要并聯(lián)配置多個(gè)電容器，它們的容值累加，陣列的組合電阻減小。

● 第二個(gè)因素是電容器的ESR。ESR小可以增加傳輸?shù)碾娏髁浚档头烹娖陂g的壓降，改善電路性能。

 

通過(guò)3.3V電源為微處理器供電時(shí)就需要這種大容量電容。對(duì)于處理需求較大的應(yīng)用，在開(kāi)啟后，必須為微處理器提供滿(mǎn)足需求的大電流。電容器有效提供這種大容量的能力通常稱(chēng)為“轉(zhuǎn)換速率”，定義為“空閑電流”除以“峰值電流”的轉(zhuǎn)換，以 “A/μs”表示。峰值需求期間，電軌電壓可能需要保持在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)（例如，壓降小于10%=0.33V）。ESR小的電容器可以提供更高的放電電流，同時(shí)減少熱量的產(chǎn)生，更快、更有效地滿(mǎn)足這些要求。

 

設(shè)計(jì)師實(shí)際上可在處理器附近放置幾個(gè)低容量多層陶瓷電容器（MLCC）用于短時(shí)供電，在稍遠(yuǎn)的位置增加大容量電容器（鉭電容、聚合物電容或鋁電解電容），滿(mǎn)足長(zhǎng)期電流需求。超低ESR的MLCC可以提供非常高的瞬時(shí)電流，但其有限的容量意味著只能在短時(shí)間內(nèi)提供所需電流。之后，大容量電容器可以用來(lái)滿(mǎn)足電路需求。這種應(yīng)用中使用較低ESR鉭電容器，可以降低MLCC的依賴(lài)，減少其所需數(shù)量，從而節(jié)省PCB板空間和元件成本。同時(shí)，有助于利用更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提高板級(jí)可靠性。

 

圖2：各種外形尺寸的低ESR電容器

 

低ESR鉭電容用作大容量電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少充/放電過(guò)程中產(chǎn)生熱量。這樣可以提高電路功效，降低電路的工作溫度。而且可以使用更小的電源，進(jìn)一步節(jié)省成本。

 

2 紋波濾波

 

使用低ESR電容實(shí)現(xiàn)平滑信號(hào)，可以減少DC總線(xiàn)中的紋波電流，例如，開(kāi)關(guān)電源 （SMPS）中的輸出濾波電容。這樣可以提高波形峰谷期間電壓周期和電源的充/放電電流。由于減少了紋波電流（峰-峰），每次充電/放電周期產(chǎn)生的熱量更少。低ESR（低電感）電容器還便于具有高頻AC噪聲分量的電路有效利用紋波濾波電容器。

 

以Vishay TR3低ESR產(chǎn)品線(xiàn)，TR3同類(lèi)最佳ESR提高電路電氣性能、功效和可靠性（降低工作溫度）。此系列器件以不同的外形尺寸提供多種電容/電壓（CV）選擇，每種組合含有特定ESR值（見(jiàn)圖3，D型示例）。

 

圖 3：各電容/電壓組合的ESR值

 

除ESR之外，設(shè)計(jì)人員濾波電容設(shè)計(jì)還必須考慮額定電壓、ESL、DCL和介電特性。鉭電容器通常采用超薄緊湊設(shè)計(jì)，其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)PCB級(jí)高可靠性。

 

 

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