LDO 的输出电容选用

电子森林 2020-08-20

本文转自国内模拟信号链路著名公司3Peak(www.3peakic.com.cn)的应用指南文章,作者为Gary Cheng 。



般在电源的输出端都会有一个或多个电容,其主要作 用是维持输出稳定,同时也过滤掉一些不必要的交流成 分。因此人们经常认为电容是解决输出不稳或噪声问题 的灵丹妙药,设计时常常会多预留几个电容用于解决问 题,却很少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。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。


LDO 相对于 DC-DC 等电源而言结构上更加简单,输出电容 对系统的稳定性也就更加重要,那么我们该如何选择电 容了,是否是越大越好呢?电容材质上又有什么讲究呢?


首先,我们来了简单解下输出电容对 LDO 系统的影响。如下图是 3PEAK 的 TPL700 系列的简单框图。

输出电压通过连接到误差放大器正相输入端的分压电阻 采样,误差放大器的反相输入端连接到一个参考电压Vref(bandgap)。输出电容除了提供电容本身外,在系统 中还会体现一个等效串联电阻(ESR),而该 ESR 会系统 中产生一个零点,零点频率(FZERO)与 ESR 及电容值密 切相关如下面的公式)。


FZERO = 1⁄(2π × COUT × ESR)


因此我们在给 LDO 选择输出电容时,除了要考虑容值是 否足够维持负载调变时的能量提供外,还要考虑其 ESR 对 系统的影响,不合适的 ESR 会引起回路振荡。因此一般LDO 产品都会对输出电容提出推荐,如 TPL700 系列在使 用中就推荐较小的 ESR≤100mΩ的输出电容;而 TPL1761系列在使用中推荐的电容中 ESR 可以最大允许 3Ω。


电容选择除了容值外,还要考虑耐压、温度、价格等因素。一般耐压要选择电容端实际电压的 1.2 倍以上;超过工 作温度范围,不仅会影响电容寿命,甚至直接损坏产品。


常见的不同的电容材质各有优缺点,大致如下:铝电解容 量大,ESR 大,精度低,价格便宜;钽电容容量次与铝电 解,但比陶瓷电容大,ESR 较小,精度高、稳定性好,价 格较高;陶瓷电容的容量低,但 ESR 很小,价格便宜,用 途广泛。


当有些 LDO 接陶瓷电容系统不稳定时,你知道可能的原 因是什么了吗?



另外再附两篇关于LDO中电容选用的文章:

  1. Low Dropout Regulators—Why the Choice of Bypass Capacitor Mattershttps://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/why-bypass-capacitor-choice-matters.html

  2. LDO basics: capacitor vs. capacitance: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/08/01/ldo-basics-capacitor-vs-capacitance

电子森林 讲述电子工程师需要掌握的重要技能: PCB设计、FPGA应用、模拟信号链路、电源管理等等;不断刷新的行业新技术 - 树莓派、ESP32、Arduino等开源系统;随时代演进的热点应用 - 物联网、无人驾驶、人工智能....
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