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專家教你如何認識幾種常用的旁路電容

發(fā)布時間:2011-07-19 來源:EDN China

中心議題:
  • 設(shè)計人員在選擇旁路電容的方法
解決方案:
  • 三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容
  • 分析為LDO電路選擇電容的方法

設(shè)計人員在選擇旁路電容,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他應(yīng)用時,都必須考慮這些因素。若選擇不當,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、額定電壓和其他特性,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。

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)和其他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他應(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,當調(diào)節(jié)器用在噪聲敏感的應(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,而且無須電流限制電阻。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3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。
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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℃,但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125℃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


1 輸出電容

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1μF且ESR最大為1Ω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)??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(shù)負載電流。當負載電流以500mA/μs的速率從1mA變?yōu)?00mA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。當電容增加到10μF時,負載瞬態(tài)會降至約70mV,如圖2所示。當輸出電容再次增加并達到20μF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5V和3.3V。
 
圖1 瞬態(tài)響應(yīng)(COUT=1μF)
 
 
圖2 瞬態(tài)響應(yīng)(COUT=10μF)


圖3 瞬態(tài)響應(yīng)(COUT=20μF)
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2 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信號源阻抗的情況下。如果輸出端上要求使用1μF以上的電容,則應(yīng)增加輸入電容,使之與輸出電容匹配。

3 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5V應(yīng)用,建議采用電壓額定值為6.3~10V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,因此不適合與LDO一起使用。

圖4所示為采用0402封裝的1μF、10V 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~+85℃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)整標稱電容,見公式1。

CEFF=CBIAS×(1-TVAR)×(1-TOL) (1)

其中,CBIAS是工作電壓下的標稱電容;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~+85℃范圍內(nèi)的TVAR為15%;TOL為10%;CBIAS在1.8 V時為0.94μF,如圖4所示。將這些值代入公式1,即可得出:

CEFF=0.94μF×(1-0.15)×(1-0.1)=0.719μF

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0.70μF,因而此電容符合該項要求。

總結(jié):
通過本文,我們認識到在電壓調(diào)節(jié)器中,以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。本文也著重從這些方面去闡述和分析這三大類電容的特點和應(yīng)用。為讀者對旁路電容有更加深入的了解,以及為學有余力的的工程師去深入研究。
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