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ADI:低压差调节器—为什么挑选旁路电容很重要

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 虽然人们普遍认为电容是解决噪声相关问题的灵丹妙

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

尽管人们普遍认为电容是处理噪声相关问题的灵丹妙药,可是电容的价值并不只限于此。规划人员常常只想到添加几个电容就能够处理大多数噪声问题,但却很少去考虑电容和电压额外值之外的参数。可是,与一切电子器件相同,电容并不是完美无瑕的,相反,电容会带来寄生等效串联电阻(ESR)和电感(ESL)的问题,其电容值会随温度和电压而改变,并且电容对机械效应也十分灵敏。

规划人员在挑选旁路电容时,以及电容用于滤波器、积分器、时序电路和实践电容值十分重要的其它运用时,都有必要考虑这些要素。若挑选不妥,则或许导致电路不安稳、噪声和功耗过大、产品生命周期缩短,以及发生不行猜测的电路行为。

电容技能

电容具有各种尺度、额外电压和其它特性,能够满意不同运用的具体要求。常用电介质资料包含油、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特点,决议其是否合适特定的运用。

在电压调理器中,以下三大类电容一般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)不只尺度小,并且将低ESR、低ESL和宽作业温度规模特性融于一体,能够说是旁路电容的首选。不过,这类电容也并非白璧无瑕。依据电介质资料不同,电容值会跟着温度、直流偏置和沟通信号电压动态改变。别的,电介质资料的压电特性可将振荡或机械冲击转换为沟通噪声电压。大多数状况下,此类噪声往往以微伏计,但在极点状况下,机械力能够发生毫伏级噪声。

电压操控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、RF功率放大器(PA)和其它模仿电路都对供电轨上的噪声十分灵敏。在VCO和PLL中,此类噪声表现为相位噪声;在RF PA中,表现为起伏调制;而在超声、CT扫描以及处理低电平模仿信号的其它运用中,则表现为显现伪像。尽管陶瓷电容存在上述缺陷,但因为尺度小且本钱低,因而几乎在每种电子器件中都会用到。不过,当调理器用在对噪声灵敏的运用中时,规划人员有必要细心评价这些副作用。

固态钽电解电容

与陶瓷电容比较,固态钽电容对温度、偏置和振荡效应的灵敏度相对较低。新式一种固态钽电容选用导电聚合物电解质,而十分见的二氧化锰电解质,其浪涌电流才能有所提高,并且无需电流约束电阻。此项技能的另一优点是ESR更低。固态钽电容的电容值能够相关于温度和偏置电压保持安稳,因而挑选规范仅包含容差、作业温度规模内的降压状况以及最大ESR。

导电聚合物钽电容具有低ESR特性,本钱高于陶瓷电容并且体积也略大,但关于不能忍耐压电效应噪声的运用而言或许是仅有挑选。不过,钽电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电容,因而不合适一些低电流运用。

固态聚合物电解质技能的缺陷是此类钽电容对无铅焊接过程中的高温更为灵敏,因而制作商一般会规则电容在焊接时不得超越三个焊接周期。拼装过程中若忽视此项要求,则或许导致长时间安稳性问题。

铝电解电容

传统的铝电解电容往往体积较大、ESR和ESL较高、漏电流相对较高且运用寿命有限(以数千小时计)。而OS-CON电容则选用有机半导体电解质和铝箔阴极,以完成较低的ESR。这类电容尽管与固态聚合物钽电容相关,但实践上要比钽电容早10年或更久。因为不存在液态电解质逐突变干的问题,OS-CON型电容的运用寿命要比传统的铝电解电容长。大多数电容的作业温度上限为105°C,但现在OS-CON型电容能够在最高125°C的温度规模内作业。

尽管OS-CON型电容的功能要优于传统的铝电解电容,可是与陶瓷电容或固态聚合物钽电容比较,往往体积更大且ESR更高。与固态聚合物钽电容相同,这类电容不受压电效应影响,因而合适低噪声运用。

为LDO电路挑选电容输出电容

输出电容

ADI公司的低压差调理器 (LDOs)能够与节约空间的小型陶瓷电容合作运用,但条件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操控环路的安稳性。为确保安稳性,主张选用至少1 µF且ESR最大为1 Ω的电容。

输出电容还会影响调理器对负载电流改变的呼应。操控环路的大信号带宽有限,因而输出电容有必要供给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电容无法供给满意的电流,因而发生大约80 mV的负载瞬态,如图1所示。当电容添加到10 µF时,负载瞬态会降至约70 mV,如图2所示。当输出电容再次添加并到达20 µF时,调理器操控环路可进行盯梢,自动下降负载瞬态,如图3所示。这些示例都选用线性调理器ADP151 其输入和输出电压分别为5 V和3.3 V。

Figure 1
图1. 瞬态呼应 COUT = 1 µF.
Figure 2
图2. 瞬态呼应 COUT = 10 µF.
Figure 3
图3. 瞬态呼应 COUT = 20 µF.

输入旁路电容

在VIN和 GND 之间衔接一个1 μF电容能够下降电路对PCB布局的灵敏性,特别是在长输入走线或高信号源阻抗的状况下。假如输出端上要求运用1 μF以上的电容,则应添加输入电容,使之与输出电容匹配。

输入和输出电容特性

输入和输出电容有必要满意预期作业温度和作业电压下的最小电容要求。陶瓷电容可选用各式各样的电介质制作,温度和电压不同,其特性也不相同。关于5 V运用,主张选用电压额外值为6.3 V至10 V的X5R或X7R电介质。Y5V和Z5U电介质的温度和直流偏置特性欠安,因而不合适与LDO一同运用。

图4所示为选用0402封装的1 μF、10 V X5R电容与偏置电压之间的联系。电容的封装尺度和电压额外值对其电压安稳性影响极大。一般来说,封装尺度越大或电压额外值越高,电压安稳性也就越好。X5R电介质的温度改变率在-40℃至+85°C温度规模内为±15%,与封装或电压额外值没有函数联系。

Figure 4
图4. 电容与电压的特性联系

要确认温度、元件容差和电压规模内的最差状况下电容,可用温度改变率和容差来调整标称电容,如公式1所示:

 CEFF = CBIAS × (1 – TVAR) × (1 –TOL)  (1)

其间CBIAS 是作业电压下的标称电容; TVAR 是温度规模内最差状况下的电容改变率(百分率); TOL 是最差状况下的元件容差(百分率)。

本例中,X5R电介质在–40°C至+85°C规模内的TVAR为15%;TOL为10%;CBIAS在1.8 V时为0.94 μF,如图4所示。将这些值代入公式1, 即可得出:

CEFF = 0.94 µF × (1 – 0.15) × (1 – 0.1) = 0.719 µF 

在作业电压和温度规模内,ADP151的最小输出旁路电容额外值为0.70 μF,因而此电容契合该项要求。

总结

为确保LDO的功能,有必要正确认识并严厉评价旁路电容的直流偏置、温度改变率和容差。在要求低噪声、低漂移或高信号完整性的运用中,也有必要考虑电容技能。一切电容都存在一些不行抱负的行为效应,因而所选的电容技能有必要与运用需求相适应。

附录

Figure A
图A. 用于电源旁路的常用电容

从顶部开端沿顺时针方向依次为(刻度为毫米):
100-µF/6.3-V 聚合物固态铝电容
1-µF/35-V 和10-µF/25-V固态钽电容
1-µF/25-V, 4.7-µF/16-V和 10-µF/25-V 多层陶瓷电容
10-µF/16-V和22-µF/25-V 铝电解电容

不同电容技能的要害参数比较

电容技能等效串联电阻等效串联电感电压安稳性温度安稳性振荡灵敏度 电容值/单位体积
铝电解电容最高最高最低
固态钽电容中等中等最佳
聚合物固态铝电容最佳
多层陶瓷电容最低最低中等

参阅电路

AN-1099 运用笔记, ADI公司LDO的电容挑选攻略

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