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首页选择旁路电容:MLCC、钽电解与挑战
在低压差调节器的设计中,选择合适的旁路电容是一项关键任务。虽然电容常被视为解决噪声问题的灵丹妙药,但其实电容的选择和应用远比这复杂。设计者在考虑电容时,不仅要关注电容的电压额定值,还需关注其他重要参数,如电容的等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL),以及它们对温度、电压和机械应力的敏感性。 电容技术种类繁多,如多层陶瓷电容(MLCC),因其尺寸小、低ESR和宽温工作范围而被广泛用于旁路,但也存在电容值随温度变化和压电效应噪声的问题。在某些高灵敏度应用如电压控制振荡器(VCO)和锁相环(PLL)中,这些噪声可能直接影响性能。陶瓷电容因其成本低和体积小的优势,几乎在所有电子设备中都有使用,但在噪声敏感的应用中,需要权衡其缺陷。 另一种常见的电容类型是固态钽电解电容,相比于陶瓷电容,它对温度、偏置和机械效应的敏感性较低。特别是新型采用导电聚合物电解质的固态钽电容,提供了更好的浪涌电流能力和更低的ESR,特别适合对噪声有严格要求的场合。然而,这种电容的成本较高,且体积较大。 在选择旁路电容时,设计人员需要综合考虑电容的稳定性、容差、工作温度范围内的性能变化以及ESR等特性。对于那些不能容忍压电效应噪声的应用,固态钽电容可能是最佳选择。旁路电容的选择不仅关乎噪声抑制,还涉及到电路的整体性能和可靠性,因此,细致的分析和适当的选型至关重要。
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低压差调节器低压差调节器—为什么选择旁路电容很重要为什么选择旁路电容很重要
虽然人们普遍认为电容是解决噪声相关问题的灵丹妙药,但是电容的价值并不仅限于此。设计人员常常只想到
添加几个电容就可以解决大多数噪声问题,但却很少去考虑电容和电压额定值之外的参数。然而,与所有电子
器件一样,电容并不是十全十美的,相反,电容会带来寄生等效串联电阻和电感的问题,其电容值会随温度和
电压而变化,而且电容对机械效应也非常敏感。
电容技术
电容具有各种尺寸、额定电压和其它特性,能够满足不同应用的具体要求。常用电介质材料包括油、纸、玻璃、空气、云母、
聚合物薄膜和金属氧化物。每种电介质均具有特定属性,决定其是否适合特定的应用。
在电压调节器中,以下三大类电容通常用作电压输入和输出旁路电容:多层陶瓷电容、固态钽电解电容和铝电解电容。“附
录”部分对这三类电容进行了比较。
多层陶瓷电容
多层陶瓷电容(MLCC)不仅尺寸小,而且将低ESR、低ESL和宽工作温度范围特性融于一体,可以说是旁路电容的首选。不
过,这类电容也并非完美无缺。根据电介质材料不同,电容值会随着温度、直流偏置和交流信号电压动态变化。另外,电介质
材料的压电特性可将振动或机械冲击转换为交流噪声电压。大多数情况下,此类噪声往往以微伏计,但在极端情况下,机械力
可以产生毫伏级噪声。
电压控制振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、RF功率放大器(PA)和其它模拟电路都对供电轨上的噪声非常敏感。在VCO和PLL中,
此类噪声表现为相位噪声;在RF PA中,表现为幅度调制;而在超声、CT扫描以及处理低电平模拟信号的其它应用中,则表
现为显示伪像。尽管陶瓷电容存在上述缺陷,但由于尺寸小且成本低,因此几乎在每种电子器件中都会用到。不过,当调节器
用在对噪声敏感的应用中时,设计人员必须仔细评估这些副作用。
固态钽电解电容
与陶瓷电容相比,固态钽电容对温度、偏置和振动效应的敏感度相对较低。新兴一种固态钽电容采用导电聚合物电解质,而非
常见的二氧化锰电解质,其浪涌电流能力有所提高,而且无需电流限制电阻。此项技术的另一好处是ESR更低。固态钽电容
的电容值可以相对于温度和偏置电压保持稳定,因此选择标准仅包括容差、工作温度范围内的降压情况以及最大ESR。
导电聚合物钽电容具有低ESR特性,成本高于陶瓷电容而且体积也略大,但对于不能忍受压电效应噪声的应用而言可能是唯
一选择。不过,钽电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电容,因此不适合一些低电流应用。
固态聚合物电解质技术的缺点是此类钽电容对无铅焊接过程中的高温更为敏感,因此制造商通常会规定电容在焊接时不得超过
三个焊接周期。组装过程中若忽视此项要求,则可能导致长期稳定性问题。
铝电解电容
传统的铝电解电容往往体积较大、ESR和ESL较高、漏电流相对较高且使用寿命有限(以数千小时计)。而OS-CON电容则采
用有机半导体电解质和铝箔阴极,以实现较低的ESR。这类电容虽然与固态聚合物钽电容相关,但实际上要比钽电容早10年
或更久。由于不存在液态电解质逐渐变干的问题,OS-CON型电容的使用寿命要比传统的铝电解电容长。大多数电容的工作温
度上限为105°C,但现在OS-CON型电容可以在最高125°C的温度范围内工作。
虽然OS-CON型电容的性能要优于传统的铝电解电容,但是与陶瓷电容或固态聚合物钽电容相比,往往体积更大且ESR更
高。与固态聚合物钽电容一样,这类电容不受压电效应影响,因此适合低噪声应用。
为LDO电路选择电容输出电容
ADI公司的低压差调节器(LDO)可以与节省空间的小型陶瓷电容配合使用,但前提是这些电容具有低等效串联电阻(ESR);输
出电容的ESR会影响LDO控制环路的稳定性。为确保稳定性,建议采用至少1 µF且ESR最大为1 Ω的电容。
输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应。控制环路的大信号带宽有限,因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数
负载电流。当负载电流以500 mA/µs的速率从1 mA变为200 mA时,1µF电容无法提供足够的电流,因而产生大约80mV的负载
瞬态,如图1所示。当电容增加到10 µF时,负载瞬态会降至约70 mV,如图2所示。当输出电容再次增加并达到20 µF时,调
节器控制环路可进行跟踪,主动降低负载瞬态,如图3所示。这些示例都采用线性调节器ADP151,其输入和输出电压分别为5
V和3.3 V。
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