▍雖然很多工程師們在解決噪聲問題上往往認為電容是一種有效的途徑，但是電容本身的作用可不僅于此。絕大多數噪聲問題，工程師們通過添加幾個電容得到很好的解決，但很少有去考慮電容和電壓額定值之外的參數。然而，與所有電子器件一樣，電容并不完美的，反之，電容會帶來寄生等效串聯電阻(ESR)和電感(ESL)的問題，并且電容值會隨溫度和電壓而變化，而且電容對機械效應也非常敏感。

▍設計人員在選擇旁路電容時，以及電容用于濾波器、積分器、時序電路和實際電容值非常重要的其它應用時，都必須考慮這些因素。若選擇不當，則可能導致電路不穩定、噪聲和功耗過大、產品生命周期縮短，以及產生不可預測的電路行為。

▍那么為了保證LDO的性能,必須了解并評估旁通電容的直流偏置、溫度變化和容差對所選電容的影響。此外,在要求低噪聲、低漂移或高信號完整性的應用中,也必須認真考慮電容技術。所有電容都會受到非理想行為的影響,但一些電容技術比其他技術更適合于某些特定應用。

1

不同電容技術關鍵參數對比

2

輸出輸入電容選型

輸出電容

▍ADI公司LDO設計采用節省空間的小型陶瓷電容工作,但只要考慮ESR值,便可以采用大多數常用電容。輸出電容的ESR會影響LDO控制回路的穩定性。為了確保LDO穩定工作,推薦使用至少1μF、ESR為1Ω或更小的電容。

▍輸出電容還會影響負載電流變化的瞬態響應。采用較大的輸出電容值可以改善LDO對大負載電流變化的瞬態響應。圖1至3所示為輸出電容值分別為1μF、10μF和20μF的ADP151的瞬態響應。

▍因為LDO控制環路的帶寬有限,因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數負載電流。1μF電容無法持續很長時間供應電流并產生約80mV的負載瞬變。10μF電容將負載瞬變降低至約70mV。將輸出電容提高至20μF,LDO控制回路就可捕捉并主動降低負載瞬變。測試條件如表1所示。

測 試 條 件

輸出負載瞬態響應,COUT = 1 μF

輸出瞬態負載響應,COUT = 10 μF

輸出負載瞬態響應,COUT = 20 μF

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源阻抗的情況下。如果要求輸出電容大于1μF,應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可以采用任何質量良好的電容。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質制造,溫度和所施加的電壓不同,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。建議在5V應用中使用電壓額定值為6.3V或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,建議不要使用。

▍電容的電壓穩定性受電容封裝尺寸和電壓額定值影響極大。一般來說,封裝較大或電壓額定值較高的電容具有更好的電壓穩定性。X5R電介質的溫度變化率在-40°C至+85°C溫度范圍內為±15%,與封裝或電壓額定值沒有函數關系。

0402、1μF、10V、X5R電容的電容與電壓偏置關系特性

3

關注電容的ESR

▍在基于 PMOS 或 PNP 調整元件的 LDO 調節器中有三個重要的極點。主要極點 P（DOM）在調節器的誤差放大器中設置。負載極點 P（LOAD） 由輸出電容器和負載形成， 因此隨負載電流的不同而有所差異。通路設備極點 P（PASS）由通路元件的寄生電容形成。為了保證任何負反饋系統的穩定， 系統的開環增益在相位為 360° 時應在 0dB 之下（180° 的反饋信號加 180° 誤差放大器的反相輸入）。換言之，系統必須具備充分的相位邊限， 這就是說， 相移量在增益為0dB 時保持為 360° 。

由于每個極點會產生 90° 的相移和 20dB/10 倍頻（或 -1） 的增益滾降， 因此為了保證三極點高增益系統的穩定， 就需要進行補償。如果開環增益曲線在達到 0dB 之前以 20dB/10 倍頻的速度滾降（也就是說，像單極點系統一樣），那么我們就說調節器無論在何種條件下都是穩定的（也就是說，有足夠的相位邊限）。最常見的補償方法是在系統中插入零來取消相移和一個極點的滾降。由于 LDO 已經就正常運行要求了一個輸出電容器，因此使用輸出電容器的ESR 通常就是最簡單也最廉價的生成零的方法。

典型 PMOS 或 PNP 開環增益曲線

▍挑戰在于如何選擇一個具有正確 ESR 量的電容器。ESR 必須足夠高， 以降低 Z（ESR） 頻率， 從而保證增益變化斜線在達到 0dB 時為 －20dB/10 倍頻， 而不是 40dB/10 倍頻（－2），但它也要足夠低，從而保證 Z（ESR） 頻率足夠高，這樣增益才能在 P（PASS） 之前達到0dB以下。

▍在 TI 的大多數調節器數據表單中， 都會指定最低電容器值， 并給出輸出電容器（通常還有另一個電容器）的 ESR 和輸出電流。

TPS76050典型的 ESR－輸出電流

▍該設備的曲線就最低的 2.2-μF 輸出電容器要求 ESR 必須在 0.1Ω 和 20Ω 之間。電容器的 ESR 一般不超過 2Ω， 因此這里 ESR 的上限通常可忽略。下限實際上設置了 Z（ESR）的最大值。上圖給出的 2.2-μF 電容器而言， Z（ESR） 的最大值如下：

輸出電容－ESR 示例

▍因此，任何大于 0.1 × 2.2 x 10-6 = 2.2 x 10-7（但小于 20 × 2.2 x 10-6= 4.4 x 10-5）的電容和 ESR 產品， 只要其電容大于所要求最小值， 就都是穩定的。上圖給出的曲線反映了這一點。使用更大電容器的 LDO 調節器與較小的 ESR 在一起就是穩定的。事實上， 更大的電容和/或較小的 ESR 值能夠改善輸出瞬時反應。

電容器阻抗曲線的

▍上圖顯示了電容器阻抗曲線的一般形狀。電容器開始具有電容性（XC），隨后在其諧振點附近帶有電阻性（ESR）， 最后在高頻率時帶有電感應性（XL）。曲線（Z） 的阻抗是上述每個成分的結合。

▍電容器通常都以特定頻率上的最大 ESR 確定。該頻率通常在 10 kHz 和 100 kHz 之間，且位于諧振點附近。為了保證電容器的最小 ESR 不低于最低 ESR 要求， 設計人員應當向制造商處請求獲得整個有關溫度范圍內的 ESR－頻率曲線。某些制造商可能提供此信息。如果阻抗曲線可用的話，那么曲線停止下降而保持水平的區域就是電容器的 ESR 決定電容的地方。

▍我們也可以將小型的低 ESR 的電阻器與陶瓷電容器串聯在一起。該電阻器必須能夠適應溫度要求，能在穩定曲線許可范圍內保持其值。

負載瞬變測試

▍進行負載瞬變測試并觀察輸出的振蕩量是確定所選電容是否穩定的最佳途徑。上圖顯示了以 MOSFET 開關和函數生成器進行負載瞬變測試的測試設置。該設置適用于大多數電子負載，因為模擬的瞬變要快得多。

左圖：帶有2.2-μF陶瓷電容器

右圖：帶有2.2-μF陶瓷電容器和1ΩESR

▍上左圖顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷（低 ESR）電容器的 TPS76050 設備所得出的測量結果。上右圖則顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷電容器和 1Ω 串聯電阻器的 TPS76050 設備所得出的測量結果。上左圖中的結果顯示了初始尖峰脈沖后的多次擺動和振蕩，而上右圖中的結果則顯示了穩定的負載瞬變。通常說來，四次或更少的振蕩則反映出已具備足夠的相位容限，設備能夠保持穩定。

審核編輯：劉清