線性穩壓電源屬于直流穩壓電源, 在輸入電壓波動、負載變化時輸出電壓調整的速度相對較快。這種直流電源輸出的紋波較小, 工作時產生的噪聲較低, 是一種比較安全的電源設備, 在工業儀表、儀器控制等領域仍然有廣泛的應用。

電容器是線性穩壓電源中一個關鍵的元件, 其性能的好壞直接影響著直流穩壓電源的技術指標。因此, 在設計線性穩壓電源時, 必須合理選擇電容器。

實際電容的等效電路是由等效串聯電阻ESR、標稱電容C和等效串聯電感組成。

ESR是電容內所有損耗的綜合, 由介質損耗和金屬損耗組成。介質損耗由介質材料的特性決定, 每種介質材料有不同的損耗, 這一損耗的結果會使電容發熱;金屬損耗由電容結構中金屬材料的導電性能決定, 包括電極、引腳和其它金屬, 這類損耗包括歐姆損耗和高頻的“趨膚效應”損耗, 因電容結構不同而有很大差異。

一般是指在1KHz, 1V等效AC電壓, 直流偏壓為0V情況下測到的。

ESL是由于電容的引線產生的電感, 在低頻時感抗較小, 可忽略, 如選用貼片電容, 一般不用考慮ESL。

X7R電容的頻率特性如圖2所示。由圖可知, 電容ESR與電容封裝大小無關, 與電容的標稱容量相關。

線性穩壓電源電路中通常會用到三種電容:陶瓷電容、鉭電容和鋁電解電容, 三種電容器實物如圖3所示。

陶瓷電容結構與電路模型如圖3所示, 由電極和陶瓷電介質材料交替層構成, 貼片電容目前使用較多的有NPO、X7R、Y5V等。這三種規格的電容填充介質不同, 在相同的體積下構成的電容器的容量、介質損耗、容量穩定性等也就有所差異。

NPO是一種最常用的陶瓷電容器, 它的填充介質是銣、釤和其它稀有氧化物, 具有溫度補償特性, 電容量和介質損耗相對來說比較穩定, 但材質的介電常數小, 因此容量不可能太大, 一般在0.033u F左右。

NPO在溫度從-55℃到+125℃時容量變化為0±30ppm/℃, NPO電容的漂移或滯后小于±0.05%, 相對大于±2%的薄膜電容來說是可以忽略不計的, 其典型的容量相對使用壽命的變化小于±0.1%, 在絕大多數的電路中都可以滿足要求。NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容以及高頻電路中的耦合電容。

在相同的體積下X7R電容器的容量可以做得比較大, 而且X7R電容器的溫度穩定性很好, 當溫度在-55℃到+125℃時其容量變化為15%, X7R電容器主要用在要求不高的工業場合。

Y5V的介電常數較高, 在較小的物理尺寸下可以制造出高達幾十微法的電容器。在-30℃到85℃范圍內, Y5V電容器的容量變化可達+22%到-82%, 最大介質損耗達5%。盡管如此, 由于它體積較小、ESL和ESR都比較低、頻率響應很好, 在退耦和濾波電路中應用比較廣泛。

鉭電容結構與電路模型如圖5所示。鉭電容無論是原理和結構都像一個電池, 用鉭絲緊緊圍繞鉭正極, 在表面生長氧化物;在負極通過浸漬以及熱轉換 (Mn→Mn O₂) 形成, 最后用環氧樹脂包封。

鉭電容具有體積小、容量大、速度快、ESR低等優勢, 但價格也比較高。鉭電容容量和耐壓是由原材料鉭粉顆粒的大小所決定, 顆粒愈細, 可以得到愈大的電容;而如果想擁有較高的耐壓, 就需要較厚的Ta₂O₅, 這就要求使用顆粒大些的鉭粉, 所以在體積相同的條件下, 要制作出耐壓高、容量大的鉭電容難度很大。

體積小:由于鉭電容采用了顆粒很細的鉭粉, 而且鉭氧化膜的介電常數比鋁氧化膜的介電常數高, 因此鉭電容的單位體積內的電容量大。

使用溫度范圍寬, 耐高溫:由于鉭電容內部沒有電解液, 很適合在高溫下工作, 在-50℃~100℃的溫度下一般鉭電解電容器都能正常工作, 其電性能遠遠高于鋁電解電容, 而且長時間工作能保持良好的性能。

誤差小:±20% (MAX) 。

等效串聯電阻 (ESR) 小, 高頻性能好。

耐壓不夠高, 電流小, 價格高:比較容易擊穿而呈短路特性, 抗浪涌能力差, 很可能由于一個大的瞬間電流導致電容燒毀而形成短路。

固體鉭電容實物極性標注如圖6所示, 實物表面“橫杠”是正極, 在應用時常常會與電解電容器極性相混淆而當作負極, 因而造成電容器發熱燒壞, 這點必須引起注意。

鋁電解電容結構與電路模型如圖7所示。

鋁電解電容是由鋁箔刻槽氧化后夾絕緣層卷制, 浸電解質液制做而成, 通過化學反應完成電容充放電, 一般應用在頻率較低 (1MHz以下) 的濾波場合。

電解電容器的ESR較大, 由電容電路模型可知, 電容是并聯結構組合, ESR是串聯結構組合, 由此得到電容卷數越多, 電容容量愈大, ESR就愈大。工作時, 鋁電容的電解液會逐漸揮發、容量逐漸減小直至失效, 溫度越高, 揮發速度越快。溫度每升高10℃, 電解電容的壽命會減半, 所以, 鋁電解電容在安裝時盡量不要太靠近熱源。

濾波電容通常使用大容量電容, 一般選用鋁電解電容, 在浪涌電流較小的情況下, 使用鉭電容代替鋁電解電容效果會更好一些。

選擇鋁電解電容時需要考慮以下參數:電容器的額定電壓、電容器的容量、電容器的介質損耗、等效串聯電阻ESR、電容器紋波電壓和紋波電流、漏電流、使用環境。

作為退耦電容, 需滿足兩個要求:一是容量需求;二是ESR需求。必須有很快的響應速度才能達到效果, 必須配置陶瓷電容, 盡可能靠近芯片的電源引腳;如果容量不夠可以并聯鉭電容或鋁電解電容, 使電路濾波與去耦達到最佳效果。

輸入輸出電容可有效解決噪聲問題, 設計穩壓電源時通常考慮添加電容來解決噪聲問題, 但很少顧及電容量和電壓額定值之外的參數。電容會帶來ESR和ESL, 電容值會隨溫度和偏置電壓變化而變化, 而且對機械效應也非常敏感, 選擇旁路電容時, 必須考慮這些因素, 若選擇不當, 則可能導致電路不穩定、噪聲和功耗過大等后果。

為了保證LDO穩定工作, 依據手冊給定的輸出電容ESR范圍, 選擇合適電容以滿足ESR要求。比較通用方法是選用容量大于1μF且ESR≤1Ω的電容。鉭電容的ESR范圍10至500mΩ最合適, 而陶瓷電容ESR太小, 鋁電解電容ESR太大。因此, LDO輸出端不需要并聯陶瓷電容, 否則ESR太小會降低環路的相位裕度, 造成電源系統的不穩定。

線性穩壓電源設計中需要考慮的因素很多, 如變壓器、二極管、電容、穩壓器件等參數, 還有穩壓電路的散熱問題等等, 只有解決好這些問題, 才能設計出一款性價比高的直流電源。