线性稳压电源设计中的电容器选择

线性稳压电源属于直流稳压电源, 在输入电压波动、负载变化时输出电压调整的速度相对较快。这种直流电源输出的纹波较小, 工作时产生的噪声较低, 是一种比较安全的电源设备, 在工业仪表、仪器控制等领域仍然有广泛的应用。

电容器是线性稳压电源中一个关键的元件, 其性能的好坏直接影响着直流稳压电源的技术指标。因此, 在设计线性稳压电源时, 必须合理选择电容器。

实际电容的等效电路是由等效串联电阻ESR、标称电容C和等效串联电感组成。

ESR是电容内所有损耗的综合, 由介质损耗和金属损耗组成。介质损耗由介质材料的特性决定, 每种介质材料有不同的损耗, 这一损耗的结果会使电容发热;金属损耗由电容结构中金属材料的导电性能决定, 包括电极、引脚和其它金属, 这类损耗包括欧姆损耗和高频的“趋肤效应”损耗, 因电容结构不同而有很大差异。

一般是指在1KHz, 1V等效AC电压, 直流偏压为0V情况下测到的。

ESL是由于电容的引线产生的电感, 在低频时感抗较小, 可忽略, 如选用贴片电容, 一般不用考虑ESL。

X7R电容的频率特性如图2所示。由图可知, 电容ESR与电容封装大小无关, 与电容的标称容量相关。

线性稳压电源电路中通常会用到三种电容:陶瓷电容、钽电容和铝电解电容, 三种电容器实物如图3所示。

陶瓷电容结构与电路模型如图3所示, 由电极和陶瓷电介质材料交替层构成, 贴片电容目前使用较多的有NPO、X7R、Y5V等。这三种规格的电容填充介质不同, 在相同的体积下构成的电容器的容量、介质损耗、容量稳定性等也就有所差异。

NPO是一种最常用的陶瓷电容器, 它的填充介质是铷、钐和其它稀有氧化物, 具有温度补偿特性, 电容量和介质损耗相对来说比较稳定, 但材质的介电常数小, 因此容量不可能太大, 一般在0.033u F左右。

NPO在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃, NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%, 相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的, 其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%, 在绝大多数的电路中都可以满足要求。NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容以及高频电路中的耦合电容。

在相同的体积下X7R电容器的容量可以做得比较大, 而且X7R电容器的温度稳定性很好, 当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%, X7R电容器主要用在要求不高的工业场合。

Y5V的介电常数较高, 在较小的物理尺寸下可以制造出高达几十微法的电容器。在-30℃到85℃范围内, Y5V电容器的容量变化可达+22%到-82%, 最大介质损耗达5%。尽管如此, 由于它体积较小、ESL和ESR都比较低、频率响应很好, 在退耦和滤波电路中应用比较广泛。

钽电容结构与电路模型如图5所示。钽电容无论是原理和结构都像一个电池, 用钽丝紧紧围绕钽正极, 在表面生长氧化物;在负极通过浸渍以及热转换 (Mn→Mn O₂) 形成, 最后用环氧树脂包封。

钽电容具有体积小、容量大、速度快、ESR低等优势, 但价格也比较高。钽电容容量和耐压是由原材料钽粉颗粒的大小所决定, 颗粒愈细, 可以得到愈大的电容;而如果想拥有较高的耐压, 就需要较厚的Ta₂O₅, 这就要求使用颗粒大些的钽粉, 所以在体积相同的条件下, 要制作出耐压高、容量大的钽电容难度很大。

体积小:由于钽电容采用了颗粒很细的钽粉, 而且钽氧化膜的介电常数比铝氧化膜的介电常数高, 因此钽电容的单位体积内的电容量大。

使用温度范围宽, 耐高温:由于钽电容内部没有电解液, 很适合在高温下工作, 在-50℃~100℃的温度下一般钽电解电容器都能正常工作, 其电性能远远高于铝电解电容, 而且长时间工作能保持良好的性能。

误差小:±20% (MAX) 。

等效串联电阻 (ESR) 小, 高频性能好。

耐压不够高, 电流小, 价格高:比较容易击穿而呈短路特性, 抗浪涌能力差, 很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。

固体钽电容实物极性标注如图6所示, 实物表面“横杠”是正极, 在应用时常常会与电解电容器极性相混淆而当作负极, 因而造成电容器发热烧坏, 这点必须引起注意。

铝电解电容结构与电路模型如图7所示。

铝电解电容是由铝箔刻槽氧化后夹绝缘层卷制, 浸电解质液制做而成, 通过化学反应完成电容充放电, 一般应用在频率较低 (1MHz以下) 的滤波场合。

电解电容器的ESR较大, 由电容电路模型可知, 电容是并联结构组合, ESR是串联结构组合, 由此得到电容卷数越多, 电容容量愈大, ESR就愈大。工作时, 铝电容的电解液会逐渐挥发、容量逐渐减小直至失效, 温度越高, 挥发速度越快。温度每升高10℃, 电解电容的寿命会减半, 所以, 铝电解电容在安装时尽量不要太靠近热源。

滤波电容通常使用大容量电容, 一般选用铝电解电容, 在浪涌电流较小的情况下, 使用钽电容代替铝电解电容效果会更好一些。

选择铝电解电容时需要考虑以下参数:电容器的额定电压、电容器的容量、电容器的介质损耗、等效串联电阻ESR、电容器纹波电压和纹波电流、漏电流、使用环境。

作为退耦电容, 需满足两个要求:一是容量需求;二是ESR需求。必须有很快的响应速度才能达到效果, 必须配置陶瓷电容, 尽可能靠近芯片的电源引脚;如果容量不够可以并联钽电容或铝电解电容, 使电路滤波与去耦达到最佳效果。

输入输出电容可有效解决噪声问题, 设计稳压电源时通常考虑添加电容来解决噪声问题, 但很少顾及电容量和电压额定值之外的参数。电容会带来ESR和ESL, 电容值会随温度和偏置电压变化而变化, 而且对机械效应也非常敏感, 选择旁路电容时, 必须考虑这些因素, 若选择不当, 则可能导致电路不稳定、噪声和功耗过大等后果。

为了保证LDO稳定工作, 依据手册给定的输出电容ESR范围, 选择合适电容以满足ESR要求。比较通用方法是选用容量大于1μF且ESR≤1Ω的电容。钽电容的ESR范围10至500mΩ最合适, 而陶瓷电容ESR太小, 铝电解电容ESR太大。因此, LDO输出端不需要并联陶瓷电容, 否则ESR太小会降低环路的相位裕度, 造成电源系统的不稳定。

线性稳压电源设计中需要考虑的因素很多, 如变压器、二极管、电容、稳压器件等参数, 还有稳压电路的散热问题等等, 只有解决好这些问题, 才能设计出一款性价比高的直流电源。