【導(dǎo)讀】在追求高性能、高集成度芯片設(shè)計(jì)的今天，工程師們的目光往往聚焦于處理器內(nèi)核、高速接口或先進(jìn)的電源架構(gòu)。然而，一個(gè)看似簡(jiǎn)單、常被歸類(lèi)為“低級(jí)被動(dòng)元件”的組件——電容，卻常常成為決定系統(tǒng)成敗的隱性關(guān)鍵。特別是在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO） 這類(lèi)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)電源電路中，電容的選擇絕非隨意為之。它直接主宰著電源的穩(wěn)定性、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)和可靠性。本文基于ADI（亞德諾半導(dǎo)體）公司的技術(shù)精髓，旨在撥開(kāi)迷霧，為工程師提供一份邏輯清晰、實(shí)操性強(qiáng)的LDO電容選擇深度指南。
為什么電容的選擇至關(guān)重要？
在追求高性能、高集成度芯片設(shè)計(jì)的今天，工程師們的目光往往聚焦于處理器內(nèi)核、高速接口或先進(jìn)的電源架構(gòu)。然而，一個(gè)看似簡(jiǎn)單、常被歸類(lèi)為“低級(jí)被動(dòng)元件”的組件——電容，卻常常成為決定系統(tǒng)成敗的隱性關(guān)鍵。特別是在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO） 這類(lèi)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)電源電路中，電容的選擇絕非隨意為之。它直接主宰著電源的穩(wěn)定性、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)和可靠性。本文基于ADI（亞德諾半導(dǎo)體）公司的技術(shù)精髓，旨在撥開(kāi)迷霧，為工程師提供一份邏輯清晰、實(shí)操性強(qiáng)的LDO電容選擇深度指南。
工程師們通常通過(guò)添加一些電容的辦法來(lái)解決噪聲問(wèn)題。這是因?yàn)樗麄兤毡閷㈦娙菀暈榻鉀Q噪聲相關(guān)問(wèn)題的“靈丹妙藥”，很少考慮電容和額定電壓以外的參數(shù)。但是，和其他電子元器件一樣，電容也有缺陷，例如寄生電阻、電感、電容溫漂和電壓偏移等非理想特性。
為許多旁路應(yīng)用或電容實(shí)際容值非常重要的應(yīng)用選擇電容時(shí)，必須考慮上述這些因素。電容選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，噪聲或功耗過(guò)大，產(chǎn)品壽命縮短，以及電路行為不可預(yù)測(cè)等現(xiàn)象。
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(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、各種聚合物薄膜和金屬氧化物。每一種電解質(zhì)都具有一系列特定屬性，可滿(mǎn)足每種應(yīng)用的獨(dú)特需求。
在穩(wěn)壓器中，有三大類(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。
多層陶瓷電容
多層陶瓷電容(MLCC)同時(shí)具有小型、有效串聯(lián)電阻和電感（ESR和ESL）低、工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，通常是作為旁路電容的首選。
它并非無(wú)可挑剔。根據(jù)所用的電介質(zhì)材料，電容可能隨溫度變化和交直流偏置發(fā)生大幅偏移。此外，因?yàn)樵谠S多陶瓷電容中介質(zhì)材料具有壓電性，振動(dòng)或機(jī)械沖擊可能會(huì)轉(zhuǎn)化為電容上的交流噪聲電壓。在大部分情況下，此噪聲一般處于微伏范圍內(nèi)。但在極端情況下，可能會(huì)產(chǎn)生毫伏級(jí)的噪聲。
VCO、PLL、RF PA以及低電平模擬信號(hào)鏈等應(yīng)用對(duì)電源軌上的噪聲非常敏感。這種噪聲在VCO和PLL中表現(xiàn)為相位噪聲，而在RF PA中則為載波振幅調(diào)制。在EEG、超聲波和CAT掃描前置放大器等低電平信號(hào)鏈應(yīng)用中，噪聲會(huì)導(dǎo)致在這些儀器的輸出中出現(xiàn)雜散噪聲。在所有這些噪聲敏感應(yīng)用中，必須認(rèn)真評(píng)估多層陶瓷電容。
選擇陶瓷電容時(shí)是否考慮溫度和電壓效應(yīng)非常重要。多層陶瓷電容選型部分談到了根據(jù)公差和直流偏置特性來(lái)確定某個(gè)電容的最小電容值的過(guò)程。
雖然陶瓷電容仍有缺點(diǎn)，但對(duì)于許多應(yīng)用都能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸最小、性?xún)r(jià)比最高的解決方案，因此在當(dāng)今幾乎每一類(lèi)電子設(shè)備上都能看到它們的身影。
固態(tài)鉭電解電容
固態(tài)鉭電解電容單位體積電容最高（CV乘積）。只有雙層或超級(jí)電容才具有更高的CV乘積。
在1 μF范圍內(nèi)，陶瓷電容仍然更小且ESR低于鉭電容，但固態(tài)鉭電容不太會(huì)受到溫度、偏置電壓或震動(dòng)效應(yīng)的影響。鉭電容比陶瓷電容貴好幾倍，但在無(wú)法容忍壓電效應(yīng)的低噪聲應(yīng)用中，鉭電容常常是唯一可行的選擇。
市面上的傳統(tǒng)低容值固態(tài)鉭電容所用外殼往往一般較小，故等效串聯(lián)電阻(ESR)較高。大容值(>68 μF)鉭電容可具有低于1 Ω的ESR，但一般體積較大。
最近市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種新鉭電容，它使用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)代替普通的二氧化錳固態(tài)電解質(zhì)。過(guò)去，固態(tài)鉭電容浪涌電流能力有限，需要一個(gè)串聯(lián)電阻將浪涌電流限制在安全值內(nèi)。導(dǎo)電聚合物鉭電容不會(huì)受到浪涌電流限制。這項(xiàng)技術(shù)的另一好處是電容ESR更低。
任何鉭電容的泄漏電流比等值陶瓷電容大好幾倍，可能不適合超低電流應(yīng)用。
例如，在85°C工作溫度下，1 μF/25 V鉭電容在額定電壓下的最大泄漏電流為2.5 μA。
多家廠商提供0805外殼、1 μF/25 V、500 mΩ ESR的導(dǎo)電聚合物鉭電容。雖然比0402或0603外殼的典型1 μF陶瓷電容更大一些，但0805在RF和PLL等以低噪聲為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的應(yīng)用中，電容尺寸還是明顯有所縮小。
因?yàn)楣虘B(tài)鉭電容的電容值可以相對(duì)于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定的電容特性，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。
固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的一大缺點(diǎn)是，這類(lèi)鉭電容在無(wú)鉛焊接工藝中更容易受高溫影響。一般情況下，制造商會(huì)詳細(xì)說(shuō)明電容不得暴露于三個(gè)以上的焊接周期。如果在裝配工藝中忽視這一要求，就會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期可靠性問(wèn)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(duì)較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時(shí)計(jì)）。
OS-CON型電容是一種與固態(tài)聚合物鉭電容有關(guān)的技術(shù)，實(shí)際上比鉭電容早10年或更早就問(wèn)世了。它們采用有機(jī)半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實(shí)現(xiàn)較低的ESR。因?yàn)椴淮嬖谝簯B(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問(wèn)題，OS-CON型電容的使用壽命比傳統(tǒng)鋁電解電容有了很大的提高。
目前市面的OS-CON型電容可承受125°C高溫，但大多數(shù)仍停留在105°C。
雖然OS-CON型電容的性能比傳統(tǒng)的鋁電解電容明顯改善，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、ESR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣，它們不受壓電效應(yīng)影響，適合要求低噪聲的應(yīng)用場(chǎng)合。
多層陶瓷電容選型
輸出電容
ADI公司LDO設(shè)計(jì)采用節(jié)省空間的小型陶瓷電容工作，但只要考慮ESR值，它們便可以采用大多數(shù)常用電容。輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為了確保LDO穩(wěn)定工作，推薦使用至少1 μF、ESR為1 Ω或更小的電容。
輸出電容還會(huì)影響負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。采用較大的輸出電容值可以改善LDO對(duì)大負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)。圖1至3所示為輸出電容值分別為1 μF、10 μF和20 μF的ADP151的瞬態(tài)響應(yīng)。
因?yàn)長(zhǎng)DO控制環(huán)路的帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。1 μF電容無(wú)法持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)電流，會(huì)產(chǎn)生約80 mV的負(fù)載瞬變。10 μF電容將負(fù)載瞬變降低至約70 mV。將輸出電容提高至20 μF，LDO控制回路就能快速響應(yīng)并主動(dòng)降低負(fù)載瞬變。測(cè)試條件如表1所示。
表1.測(cè)試條件
圖1.輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，COUT = 1 μF
圖2.輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，COUT = 10 μF
圖3.輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，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(duì)PCB布局的敏感性，特別是在長(zhǎng)輸入走線或高源阻抗的情況下。如果要求輸出電容大于1 μF，應(yīng)選用更高的輸入電容。
輸入和輸出電容特性
只要符合最小電容和最大ESR要求，LDO可以采用任何質(zhì)量良好的電容。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造，溫度和所施加的電壓不同時(shí)其特性也不相同。電容必須具有足以在工作溫度范圍和直流偏置條件下確保最小電容的電介質(zhì)。建議在5V應(yīng)用中使用電壓額定值為6.3 V或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，建議不要使用。
圖4所示為0402、1 μF、10 V、X5R電容的電容與電壓偏置特性關(guān)系圖。電容的電壓穩(wěn)定性受電容封裝尺寸和電壓額定值影響極大。一般來(lái)說(shuō)，封裝較大或電壓額定值較高的電容具有更好的電壓穩(wěn)定性。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在?40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)約為±15%，與封裝或電壓額定值沒(méi)有函數(shù)關(guān)系。
圖4.電容與電壓偏置特性的關(guān)系
考慮電容隨溫度、元件容差和電壓的變化時(shí)，可以利用公式1確定最差情況下的電容。
其中：
CBIAS是工作電壓下的有效電容。
TVAR為最差情況下電容隨溫度的變化量（幾分之一）。
TOL為最差情況下的元件容差（幾分之一）。
本例中，假定X5R電介質(zhì)在?40°C至+85°C范圍內(nèi)的最差情況電容(TVAR)為0.15(15%)。假設(shè)電容容差(TOL)為0.10 (10%)，CBIAS在1.8 V下為0.94 μF，如圖4所示。
將這些值代入公式1中可得到：
在此示例中，LDO指定在期望工作電壓和溫度范圍內(nèi)的最小輸出旁路電容為0.70 μF。因此，針對(duì)此應(yīng)用所選的電容滿(mǎn)足此要求。
結(jié)語(yǔ)
為了保證LDO的性能，必須了解并評(píng)估旁路電容的直流偏置、溫度變化和容差對(duì)所選電容的影響。
此外，在要求低噪聲、低漂移或高信號(hào)完整性的應(yīng)用中，也必須認(rèn)真考慮電容技術(shù)。所有電容都會(huì)受到非理想行為的影響，但一些電容技術(shù)比其他技術(shù)更適合于某些特定應(yīng)用。
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