为什么旁路电容器的选择很重要

电容器被广泛视为解决噪声相关问题的灵丹妙药，值得更多尊重。设计人员通常认为增加几个电容器可以解决大多数噪声问题，但很少考虑电容和额定电压以外的参数。然而，像所有电子元件一样，电容器并不完美。相反，它们具有寄生有效串联电阻 （ESR） 和电感 （ESL）;它们的电容随温度和电压而变化;它们对机械效应很敏感。

设计人员在选择旁路电容时，以及在滤波器、积分器、定时电路和其他实际电容值很重要的应用中使用时，必须考虑这些因素。选择不当会导致电路不稳定、噪声和功耗过大、产品寿命缩短以及电路行为不可预测。

电容器技术

电容器具有多种外形尺寸、额定电压和其他特性，可满足各种应用的要求。常用的介电材料包括油、纸、玻璃、空气、云母、聚合物薄膜和金属氧化物。每种电介质都有特定的特性，会影响其对特定应用的适用性。

在稳压器中，通常使用三大类电容器作为电压输入和输出旁路电容器：多层陶瓷电容器、固体钽电解电容器和铝电解电容器。附录提供了比较。

多层陶瓷

多层陶瓷电容器 （MLCC） 兼具小尺寸、低 ESR、低 ESL 和宽工作温度范围，使其成为旁路电容器的首选。然而，它们并非没有缺点。根据介电材料的不同，电容会随温度、直流偏置和交流信号电平而发生显著变化。此外，介电材料的压电性质可以将振动或机械冲击转化为交流噪声电压。在大多数情况下，这种噪声往往在微伏量级，但在极端情况下，机械力会产生毫伏范围内的噪声。

压控振荡器 （VCO）、锁相环 （PLL）、RF 功率放大器 （PA） 和其他模拟电路对其电源轨上的噪声很敏感。这种噪声表现为VCO和PLL中的相位噪声、RF PA中的幅度调制以及超声、CT扫描和其他处理低电平模拟信号的应用中的显示伪影。尽管存在这些缺陷，但几乎所有电子设备都使用陶瓷电容器，因为它们占地面积小，成本低。然而，对于噪声敏感型应用中使用的稳压器，设计人员必须仔细评估其副作用。

固体钽电解

与陶瓷电容器相比，固体钽电容器对温度、偏置和振动的影响不太敏感。最近的一种变体使用导电聚合物电解质代替通常的二氧化锰电解质，提供改进的浪涌电流能力，并且无需限流电阻器。较低的 ESR 是该技术的另一个好处。固态钽电容器在温度和偏置电压下具有稳定的电容，因此选择标准只需考虑容差、工作温度下的电压降额和最大 ESR。

具有低ESR的导电聚合物钽电容器成本更高，并且比陶瓷电容器大一些，但对于由于压电效应而无法承受噪声的应用来说，这可能是唯一的选择。然而，钽电容器的漏电流远大于等值陶瓷电容器，因此不适合某些低电流应用。

固体聚合物电解质技术的一个缺点是这种类型的钽电容器对无铅（Pb）焊接过程中遇到的高温更敏感，制造商通常规定电容器的焊接周期不超过三个。在装配过程中忽略此要求可能会导致长期的可靠性问题。

铝电解

传统的铝电解电容器往往很大，具有高ESR和ESL，相对较高的泄漏电流和有限的使用寿命 - 以数千小时为单位。OS-CON电容器采用有机半导体电解质和铝箔阴极来实现低ESR。虽然与固体聚合物钽电容器有关，但它们实际上比钽电容器早了 10 年或更长时间。由于没有液体电解质变干，OS-CON型电容器的使用寿命优于传统的铝电解电容器。大多数电容器限制在 105°C，但现在提供能够 125°C 工作的 OS-CON 型电容器。

虽然OS-CON型电容器的性能优于传统的铝电解电容器，但它们往往比陶瓷或固体聚合物钽电容器更大，ESR更高。与固体聚合物钽电容器一样，它们不会受到压电效应的影响，因此适用于低噪声应用。

为LDO电路选择电容器

输出电容

ADI公司的低压差稳压器（LDO）可以使用小型、节省空间的陶瓷电容工作，只要它们具有低有效串联电阻（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，建议最小电容为1 μF，最大ESR为1 Ω。

输出电容也会影响稳压器对负载电流变化的响应。控制环路具有有限的大信号带宽，因此输出电容必须为非常快速的瞬变提供大部分负载电流。当负载电流在500 mA/μs时从1 mA切换到200 mA时，无法提供足够电流的1 μF电容会产生约80 mV的负载瞬变，如图1所示。将电容增加到10 μF可将负载瞬变降至约70 mV，如图2所示。将输出电容进一步增加到20 μF，允许稳压器控制环路跟踪，从而主动降低负载瞬变，如图3所示。这些示例使用具有5 V输入和3.3 V输出的线性稳压器ADP151。

图1.COUT = 1 μF时的瞬态响应。

图2.COUT = 10 μF时的瞬态响应。

图3.COUT = 20 μF时的瞬态响应。

输入旁路电容器

从V连接1 μF电容在接地会降低电路对印刷电路板 （PCB） 布局的敏感性，尤其是在遇到长输入走线或高源阻抗时。当输出端需要超过1 μF时，增加输入电容以匹配输出电容。

输入和输出电容器属性

输入和输出电容必须满足预期工作温度和工作电压下的最低电容要求。陶瓷电容器具有多种电介质，每种电介质相对于温度和电压具有不同的行为。对于 5V 应用，建议使用 6.3V 至 10V 额定电压的 X5R 或 X7R 电介质。Y5V 和 Z5U 电介质的特性相对于温度和直流偏置较差，因此不适合与 LDO 一起使用。

图4显示了采用0402封装的1μF、10V X5R电容器的电容与偏置电压特性的关系。电容器的封装尺寸和额定电压对其电压稳定性有很大影响。通常，更大的封装或更高的额定电压将提供更好的电压稳定性。X5R 电介质在 –40°C 至 +85°C 温度范围内的温度变化为 ±15%，与封装或额定电压无关。

图4.电容与电压特性的关系

为了确定温度、元件容差和电压范围内的最差情况电容，请根据温度变化和容差来调整标称电容，如公式1所示：

CEFF = CBIAS × (1 – TVAR) × (1 –TOL)

(1)

其中CBIAS是工作电压下的标称电容;TVAR是温度变化的最差情况电容（作为1的分数）;TOL 是最差情况下的组件容差（作为 1 的分数）。

在本例中，对于 X5R 电介质，TVAR 在 –40°C 至 +85°C 范围内为 15%;托尔为10%;CBIAS在1.8 V时为0.94 μF，如图4所示。在公式1中使用这些值得到：

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

ADP151在工作电压和温度范围内的最小输出旁路电容为0.70 μF，因此该电容满足这一要求。

结论

为了保证LDO的性能，必须了解和评估直流偏置、温度变化和旁路电容容差的影响。在需要低噪声、低漂移或高信号完整性的应用中，还必须考虑电容技术。所有电容器都会受到非理想行为的影响，因此选择的电容器技术必须符合应用的需求。

审核编辑：郭婷

电容器技术	有效串联电阻	有效串联电感	电压稳定性	温度稳定性	对振动的敏感性	电容/单位体积
铝电解	最高	最高	好	最低	低	低
固体钽	中等	中等	最好	好	低	高
聚合物实心铝	低	低	最好	好	低	高
多层陶瓷	最低	最低	穷	好	高	中等