專家教你如何認識幾種常用的旁路電容

設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
設計人員在選擇旁路電容，以及電容用於濾波器、積分器、時序電路和實際電容值非常重要的其他應用時，都必須考慮這些因素。若選擇不當，則可能導致電路不穩定、雜訊和功耗過大、產品生命周期縮短，以及產生不可預測的電路行為。
電容技術
電容具有各種尺寸、額定電壓和其他特性，能夠滿足不同應用的具體要求。常用電介質材料包括油、紙、玻璃、空氣、雲母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質均具有特定屬性，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和寬工作溫度範圍特性融於一體，可以說是旁路電容的首選。不過，這類電容也並非完美無缺。根據電介質材料不同，電容值會隨著溫度、直流偏置和交流信號電壓動態變化。另外，電介質材料的壓電特性可將振動或機械衝擊轉換為交流雜訊電壓。大多數情況下，此類雜訊往往以微伏計，但在極端情況下，機械力可以產生毫伏級雜訊。
電壓控制振蕩器(VCO)、鎖相環(PLL)、RF功率放大器(PA)和其他模擬電路都對供電軌上的雜訊非常敏感。在VCO和PLL中，此類雜訊表現為相位雜訊；在RF PA中，表現為幅度調製；而在超聲、CT掃描以及處理低電平模擬信號的其他應用中，則表現為顯示偽像。儘管陶瓷電容存在上述缺陷，但由於尺寸小且成本低，因此幾乎在每種電子器件中都會用到。不過，當調節器用在雜訊敏感的應用中時，設計人員必須仔細評估這些副作用。
固態鉭電解電容
與陶瓷電容相比，固態鉭電容對溫度、偏置和振動效應的敏感度相對較低。新興一種固態鉭電容採用導電聚合物電解質，而非常見的二氧化錳電解質，其浪涌電流能力有所提高，而且無須電流限制電阻。此項技術的另一好處是ESR更低。固態鉭電容的電容值可以相對於溫度和偏置電壓保持穩定，因此選擇標準僅包括容差、工作溫度範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，成本高於陶瓷電容而且體積也略大，但對於不能忍受壓電效應雜訊的應用而言可能是唯一選擇。不過，鉭電容的漏電流要遠遠大於等值陶瓷電容，因此不適合一些低電流應用。
固態聚合物電解質技術的缺點是此類鉭電容對無鉛焊接過程中的高溫更為敏感，因此製造商通常會規疾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，則可能導致長期穩定性問題。

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（以數千小時計）。而OS-CON電容則採用有機半導體電解質和鋁箔陰極，以實現較低的ESR。這類電容雖然與固態聚合物鉭電容相關，但實際上要比鉭電容早10年或更久。由於不存在液態電解質逐漸變乾的問題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統的鋁電解電容長。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℃的溫度範圍內工作。
雖然OS-CON型電容的性能要優於傳統的鋁電解電容，但是與陶瓷電容或固態聚合物鉭電容相比，往往體積更大且ESR更高。與固態聚合物鉭電容一樣，這類電容不受壓電效應影響，因此適合低雜訊應用。
為LDO電路選擇電容
1 輸出電容
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電阻(ESR)；輸出電容的ESR會影響LDO控制環路的穩定性。為確保穩定性，建議採用至少1μF且ESR最大為1Ω的電容。
輸出電容還會影響調節器對負載電流變化的響應。控制環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500mA/μs的速率從1mA變為200mA時，1μF電容無法提供足夠的電流，因而產生大約80mV的負載瞬態，如圖1所示。當電容增加到10μF時，負載瞬態會降至約70mV，如圖2所示。當輸出電容再次增加並達到20μF時，調節器控制環路可進行跟蹤，主動降低負載瞬態，如圖3所示。這些示例都採用線性調節器ADP151，其輸入和輸出電壓分別為5V和3.3V。


圖1 瞬態響應(COUT=1μF)



圖2 瞬態響應(COUT=10μF)

圖3 瞬態響應(COUT=20μF)
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貳的情況下。如果輸出端上要求使用1μF以上的電容，則應增加輸入電容，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期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求。陶瓷電容可採用各種各樣的電介質製造，溫度和電壓不同，其特性也不相同。對於5V應用，建議採用電壓額定值為6.3～10V的X5R或X7R電介質。Y5V和Z5U電介質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所示為採用0402封裝的1μF、10V X5R電容與偏置電壓之間的關係。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電介質的溫度變化率在-40～+85℃溫度範圍內為±15%，與封裝或電壓額定值沒有函數關係。

圖4 電容與電壓的特性關係
要確定溫度、元件容差和電壓範圍內的最差情況下電容，可用溫度變化率和容差來調整標稱電容，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是溫度範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，X5R電介質在–40～+85℃範圍內的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：