【电路设计】LDO旁路电容的选择

本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时,也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误,欢迎大家进行指正。

一、引言

虽然人们普遍认为电容是解决噪声相关问题的灵丹妙药,但是电容的价值并不仅限于此。设计人员常常只想到添加几个电容就可以解决大多数噪声问题,但却很少去考虑电容和电压额定值之外的参数。然而,与所有电子器件一样,电容并不是十全十美的,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变化,而且电容对机械效应也非常敏感。硬件工程师在选择旁路电容时,以及电容用于滤波器、积分器、时序电路和实际电容值非常重要的其它应用时,都必须考虑这些因素。若选择不当,则可能导致电路不稳定、噪声和功耗过大、产品生命周期缩短,以及产生不可预测的电路行为。

二、为LDO电路选择输入输出电容

1. 输出电容

低压差调节器 (LDO)可以与节省空间的小型陶瓷电容配合使用,但前提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控制环路的稳定性。为确保稳定性,建议采用至少1 µF且ESR最大为1 Ω的电容。

输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应。控制环路的大信号带宽有限,因此输出电容必须提供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电容无法提供足够的电流,因而产生大约80 mV的负载瞬态,如图1所示。当电容增加到10 µF时,负载瞬态会降至约70 mV,如图2所示。当输出电容再次增加并达到20 µF时,调节器控制环路可进行跟踪,主动降低负载瞬态,如图3所示。这些示例都采用线性调节器ADP151(ADI公司的LDO器件)其输入和输出电压分别为5 V和3.3 V。

图1. 瞬态响应 COUT = 1 µF

图2. 瞬态响应 COUT = 10 µF

图3. 瞬态响应 COUT = 20 µF

2. 输入旁路电容

在VIN和 GND 之间连接一个1 μF电容可以降低电路对PCB布局的敏感性,特别是在长输入走线或高信号源阻抗的情况下。如果输出端上要求使用1 μF以上的电容,则应增加输入电容,使之与输出电容匹配。

图4. ADP151 LDO原理图

3. 输入和输出电容特性

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小电容要求。陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造,温度和电压不同,其特性也不相同。对于5V应用,建议采用电压额定值为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不佳,因此不适合与LDO一起使用。

图5所示为采用0402封装的1 μF、10 V X5R电容与偏置电压之间的关系。电容的封装尺寸和电压额定值对其电压稳定性影响极大。一般而言,封装尺寸越大或电压额定值越高,电压稳定性也就越好。X5R电介质的温度变化率在-40℃至+85°C温度范围内为±15%,与封装或电压额定值没有函数关系。

图5. 电容与电压的特性关系

选择电容首先要确认温度、元件容差和电压范围内的最差情况下电容,可用温度变化率和容差来调整标称电容,如下公式1所示:

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

其中:CEFF代表有效电容;CBIAS代表工作电压下的标称电容;TVAR代表温度范围内最差情况下的电容变化率;TOL代表最差情况下元件的容差。(TVAR和TOL一般是百分比的形式出现)
在本设计中,电容采用X5R电介质在–40°C至+85°C范围内的TVAR最大为15%;TOL最大为10%;CBIAS在1.8 V时为0.94 μF,如图5所示。将这些值代入公式1, 即可得出:

CEFF = 0.94 µF × (1 – 0.15) × (1 – 0.10) = 0.719 µF

在工作电压和温度范围内,ADP151的最小输出旁路电容额定值为0.70 μF,因而此电容符合该项要求。

备注:针对不同的电容请请自行查阅官方网站查阅相应的规格书,得出CBIAS/TVAR/TOL的值进行计算CEFF的裕度,并评估ESR的最大值。

图6. ADP151规格书针对输入输出电容的最低要求

三、总结

为保证LDO的性能,必须正确认识并严格评估旁路电容的直流偏置、温度变化率和容差。在要求低噪声、低漂移或高信号完整性的应用中,也必须考虑电容技术。所有电容都存在一些不够理想的行为效应,因此所选的电容技术必须与应用需求相适应。

图7. 用于电源旁路的常用电容

不同电容技术的关键参数比较

图8. 用不同电容关键参数比较

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