線性穩壓電源設計中的(de)電容器選擇

線性穩壓電源屬于直流穩壓電源, 在輸入電壓波動、負載變化(huà)時(shí)輸出電壓調整的(de)速度相對(duì)較快(kuài)。這(zhè)種直流電源輸出的(de)紋波較小, 工作時(shí)産生的(de)噪聲較低, 是一種比較安全的(de)電源設備, 在工業儀表、儀器控制等領域仍然有廣泛的(de)應用(yòng)。

電容器是線性穩壓電源中一個(gè)關鍵的(de)元件, 其性能的(de)好壞直接影(yǐng)響著(zhe)直流穩壓電源的(de)技術指标。因此, 在設計線性穩壓電源時(shí), 必須合理(lǐ)選擇電容器。

實際電容的(de)等效電路是由等效串聯電阻ESR、标稱電容C和(hé)等效串聯電感組成。

ESR是電容内所有損耗的(de)綜合, 由介質損耗和(hé)金屬損耗組成。介質損耗由介質材料的(de)特性決定, 每種介質材料有不同的(de)損耗, 這(zhè)一損耗的(de)結果會使電容發熱(rè);金屬損耗由電容結構中金屬材料的(de)導電性能決定, 包括電極、引腳和(hé)其它金屬, 這(zhè)類損耗包括歐姆損耗和(hé)高(gāo)頻(pín)的(de)“趨膚效應”損耗, 因電容結構不同而有很大(dà)差異。

一般是指在1KHz, 1V等效AC電壓, 直流偏壓爲0V情況下(xià)測到的(de)。

ESL是由于電容的(de)引線産生的(de)電感, 在低頻(pín)時(shí)感抗較小, 可(kě)忽略, 如選用(yòng)貼片電容, 一般不用(yòng)考慮ESL。

X7R電容的(de)頻(pín)率特性如圖2所示。由圖可(kě)知, 電容ESR與電容封裝大(dà)小無關, 與電容的(de)标稱容量相關。

線性穩壓電源電路中通(tōng)常會用(yòng)到三種電容:陶瓷電容、钽電容和(hé)鋁電解電容, 三種電容器實物(wù)如圖3所示。

陶瓷電容結構與電路模型如圖3所示, 由電極和(hé)陶瓷電介質材料交替層構成, 貼片電容目前使用(yòng)較多(duō)的(de)有NPO、X7R、Y5V等。這(zhè)三種規格的(de)電容填充介質不同, 在相同的(de)體積下(xià)構成的(de)電容器的(de)容量、介質損耗、容量穩定性等也(yě)就有所差異。

NPO是一種最常用(yòng)的(de)陶瓷電容器, 它的(de)填充介質是铷、钐和(hé)其它稀有氧化(huà)物(wù), 具有溫度補償特性, 電容量和(hé)介質損耗相對(duì)來(lái)說比較穩定, 但材質的(de)介電常數小, 因此容量不可(kě)能太大(dà), 一般在0.033u F左右。

NPO在溫度從-55℃到+125℃時(shí)容量變化(huà)爲0±30ppm/℃, NPO電容的(de)漂移或滞後小于±0.05%, 相對(duì)大(dà)于±2%的(de)薄膜電容來(lái)說是可(kě)以忽略不計的(de), 其典型的(de)容量相對(duì)使用(yòng)壽命的(de)變化(huà)小于±0.1%, 在絕大(dà)多(duō)數的(de)電路中都可(kě)以滿足要求。NPO電容器适合用(yòng)于振蕩器、諧振器的(de)槽路電容以及高(gāo)頻(pín)電路中的(de)耦合電容。

在相同的(de)體積下(xià)X7R電容器的(de)容量可(kě)以做(zuò)得(de)比較大(dà), 而且X7R電容器的(de)溫度穩定性很好, 當溫度在-55℃到+125℃時(shí)其容量變化(huà)爲15%, X7R電容器主要用(yòng)在要求不高(gāo)的(de)工業場(chǎng)合。

Y5V的(de)介電常數較高(gāo), 在較小的(de)物(wù)理(lǐ)尺寸下(xià)可(kě)以制造出高(gāo)達幾十微法的(de)電容器。在-30℃到85℃範圍内, Y5V電容器的(de)容量變化(huà)可(kě)達+22%到-82%, 最大(dà)介質損耗達5%。盡管如此, 由于它體積較小、ESL和(hé)ESR都比較低、頻(pín)率響應很好, 在退耦和(hé)濾波電路中應用(yòng)比較廣泛。

钽電容結構與電路模型如圖5所示。钽電容無論是原理(lǐ)和(hé)結構都像一個(gè)電池, 用(yòng)钽絲緊緊圍繞钽正極, 在表面生長(cháng)氧化(huà)物(wù);在負極通(tōng)過浸漬以及熱(rè)轉換 (Mn→Mn O₂) 形成, 最後用(yòng)環氧樹脂包封。

钽電容具有體積小、容量大(dà)、速度快(kuài)、ESR低等優勢, 但價格也(yě)比較高(gāo)。钽電容容量和(hé)耐壓是由原材料钽粉顆粒的(de)大(dà)小所決定, 顆粒愈細, 可(kě)以得(de)到愈大(dà)的(de)電容;而如果想擁有較高(gāo)的(de)耐壓, 就需要較厚的(de)Ta₂O₅, 這(zhè)就要求使用(yòng)顆粒大(dà)些的(de)钽粉, 所以在體積相同的(de)條件下(xià), 要制作出耐壓高(gāo)、容量大(dà)的(de)钽電容難度很大(dà)。

體積小:由于钽電容采用(yòng)了(le)顆粒很細的(de)钽粉, 而且钽氧化(huà)膜的(de)介電常數比鋁氧化(huà)膜的(de)介電常數高(gāo), 因此钽電容的(de)單位體積内的(de)電容量大(dà)。

使用(yòng)溫度範圍寬, 耐高(gāo)溫:由于钽電容内部沒有電解液, 很适合在高(gāo)溫下(xià)工作, 在-50℃~100℃的(de)溫度下(xià)一般钽電解電容器都能正常工作, 其電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高(gāo)于鋁電解電容, 而且長(cháng)時(shí)間工作能保持良好的(de)性能。

誤差小:±20% (MAX) 。

等效串聯電阻 (ESR) 小, 高(gāo)頻(pín)性能好。

耐壓不夠高(gāo), 電流小, 價格高(gāo):比較容易擊穿而呈短路特性, 抗浪湧能力差, 很可(kě)能由于一個(gè)大(dà)的(de)瞬間電流導緻電容燒毀而形成短路。

固體钽電容實物(wù)極性标注如圖6所示, 實物(wù)表面“橫杠”是正極, 在應用(yòng)時(shí)常常會與電解電容器極性相混淆而當作負極, 因而造成電容器發熱(rè)燒壞, 這(zhè)點必須引起注意。

鋁電解電容結構與電路模型如圖7所示。

鋁電解電容是由鋁箔刻槽氧化(huà)後夾絕緣層卷制, 浸電解質液制做(zuò)而成, 通(tōng)過化(huà)學反應完成電容充放電, 一般應用(yòng)在頻(pín)率較低 (1MHz以下(xià)) 的(de)濾波場(chǎng)合。

電解電容器的(de)ESR較大(dà), 由電容電路模型可(kě)知, 電容是并聯結構組合, ESR是串聯結構組合, 由此得(de)到電容卷數越多(duō), 電容容量愈大(dà), ESR就愈大(dà)。工作時(shí), 鋁電容的(de)電解液會逐漸揮發、容量逐漸減小直至失效, 溫度越高(gāo), 揮發速度越快(kuài)。溫度每升高(gāo)10℃, 電解電容的(de)壽命會減半, 所以, 鋁電解電容在安裝時(shí)盡量不要太靠近熱(rè)源。

濾波電容通(tōng)常使用(yòng)大(dà)容量電容, 一般選用(yòng)鋁電解電容, 在浪湧電流較小的(de)情況下(xià), 使用(yòng)钽電容代替鋁電解電容效果會更好一些。

選擇鋁電解電容時(shí)需要考慮以下(xià)參數:電容器的(de)額定電壓、電容器的(de)容量、電容器的(de)介質損耗、等效串聯電阻ESR、電容器紋波電壓和(hé)紋波電流、漏電流、使用(yòng)環境。

作爲退耦電容, 需滿足兩個(gè)要求:一是容量需求;二是ESR需求。必須有很快(kuài)的(de)響應速度才能達到效果, 必須配置陶瓷電容, 盡可(kě)能靠近芯片的(de)電源引腳;如果容量不夠可(kě)以并聯钽電容或鋁電解電容, 使電路濾波與去耦達到最佳效果。

輸入輸出電容可(kě)有效解決噪聲問題, 設計穩壓電源時(shí)通(tōng)常考慮添加電容來(lái)解決噪聲問題, 但很少顧及電容量和(hé)電壓額定值之外的(de)參數。電容會帶來(lái)ESR和(hé)ESL, 電容值會随溫度和(hé)偏置電壓變化(huà)而變化(huà), 而且對(duì)機械效應也(yě)非常敏感, 選擇旁路電容時(shí), 必須考慮這(zhè)些因素, 若選擇不當, 則可(kě)能導緻電路不穩定、噪聲和(hé)功耗過大(dà)等後果。

爲了(le)保證LDO穩定工作, 依據手冊給定的(de)輸出電容ESR範圍, 選擇合适電容以滿足ESR要求。比較通(tōng)用(yòng)方法是選用(yòng)容量大(dà)于1μF且ESR≤1Ω的(de)電容。钽電容的(de)ESR範圍10至500mΩ最合适, 而陶瓷電容ESR太小, 鋁電解電容ESR太大(dà)。因此, LDO輸出端不需要并聯陶瓷電容, 否則ESR太小會降低環路的(de)相位裕度, 造成電源系統的(de)不穩定。

線性穩壓電源設計中需要考慮的(de)因素很多(duō), 如變壓器、二極管、電容、穩壓器件等參數, 還(hái)有穩壓電路的(de)散熱(rè)問題等等, 隻有解決好這(zhè)些問題, 才能設計出一款性價比高(gāo)的(de)直流電源。