線性穩(wěn)壓電源屬于直流穩(wěn)壓電源, 在輸入電壓波動(dòng)、負(fù)載變化時(shí)輸出電壓調(diào)整的速度相對較快。這種直流電源輸出的紋波較小, 工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲較低, 是一種比較安全的電源設(shè)備, 在工業(yè)儀表、儀器控制等領(lǐng)域仍然有廣泛的應(yīng)用。

電容器是線性穩(wěn)壓電源中一個(gè)關(guān)鍵的元件, 其性能的好壞直接影響著直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)。因此, 在設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓電源時(shí), 必須合理選擇電容器。

實(shí)際電容的等效電路是由等效串聯(lián)電阻ESR、標(biāo)稱電容C和等效串聯(lián)電感組成。

ESR是電容內(nèi)所有損耗的綜合, 由介質(zhì)損耗和金屬損耗組成。介質(zhì)損耗由介質(zhì)材料的特性決定, 每種介質(zhì)材料有不同的損耗, 這一損耗的結(jié)果會(huì)使電容發(fā)熱;金屬損耗由電容結(jié)構(gòu)中金屬材料的導(dǎo)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(yīng)”損耗, 因電容結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電感, 在低頻時(shí)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(guān), 與電容的標(biāo)稱容量相關(guān)。

線性穩(wěn)壓電源電路中通常會(huì)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(shí)物如圖3所示。

陶瓷電容結(jié)構(gòu)與電路模型如圖3所示, 由電極和陶瓷電介質(zhì)材料交替層構(gòu)成, 貼片電容目前使用較多的有NPO、X7R、Y5V等。這三種規(guī)格的電容填充介質(zhì)不同, 在相同的體積下構(gòu)成的電容器的容量、介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)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(zhì)是銣、釤和其它稀有氧化物, 具有溫度補(bǔ)償特性, 電容量和介質(zhì)損耗相對來說比較穩(wěn)定, 但材質(zhì)的介電常數(shù)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(shí)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(jì)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(shù)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(wěn)定性很好, 當(dāng)溫度在-55℃到+125℃時(shí)其容量變化為15%, X7R電容器主要用在要求不高的工業(yè)場合。

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

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

鉭電容具有體積小、容量大、速度快、ESR低等優(yōu)勢, 但價(jià)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(xì), 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(xì)的鉭粉, 而且鉭氧化膜的介電常數(shù)比鋁氧化膜的介電常數(shù)高, 因此鉭電容的單位體積內(nèi)的電容量大。

使用溫度范圍寬, 耐高溫:由于鉭電容內(nèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁電解電容, 而且長時(shí)間工作能保持良好的性能。

誤差小:±20% (MAX) 。

等效串聯(lián)電阻 (ESR) 小, 高頻性能好。

耐壓不夠高, 電流小, 價(jià)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(gè)大的瞬間電流導(dǎo)致電容燒毀而形成短路。

固體鉭電容實(shí)物極性標(biāo)注如圖6所示, 實(shí)物表面“橫杠”是正極, 在應(yīng)用時(shí)常常會(huì)與電解電容器極性相混淆而當(dāng)作負(fù)極, 因而造成電容器發(fā)熱燒壞, 這點(diǎn)必須引起注意。

鋁電解電容結(jié)構(gòu)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(zhì)液制做而成, 通過化學(xué)反應(yīng)完成電容充放電, 一般應(yīng)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(lián)結(jié)構(gòu)組合, ESR是串聯(lián)結(jié)構(gòu)組合, 由此得到電容卷數(shù)越多, 電容容量愈大, ESR就愈大。工作時(shí), 鋁電容的電解液會(huì)逐漸揮發(fā)、容量逐漸減小直至失效, 溫度越高, 揮發(fā)速度越快。溫度每升高10℃, 電解電容的壽命會(huì)減半, 所以, 鋁電解電容在安裝時(shí)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(huì)更好一些。

選擇鋁電解電容時(shí)需要考慮以下參數(shù):電容器的額定電壓、電容器的容量、電容器的介質(zhì)損耗、等效串聯(lián)電阻ESR、電容器紋波電壓和紋波電流、漏電流、使用環(huán)境。

作為退耦電容, 需滿足兩個(gè)要求:一是容量需求;二是ESR需求。必須有很快的響應(yīng)速度才能達(dá)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(lián)鉭電容或鋁電解電容, 使電路濾波與去耦達(dá)到最佳效果。

輸入輸出電容可有效解決噪聲問題, 設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源時(shí)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(shù)。電容會(huì)帶來ESR和ESL, 電容值會(huì)隨溫度和偏置電壓變化而變化, 而且對機(jī)械效應(yīng)也非常敏感, 選擇旁路電容時(shí), 必須考慮這些因素, 若選擇不當(dāng), 則可能導(dǎo)致電路不穩(wěn)定、噪聲和功耗過大等后果。

為了保證LDO穩(wěn)定工作, 依據(jù)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(lián)陶瓷電容, 否則ESR太小會(huì)降低環(huán)路的相位裕度, 造成電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中需要考慮的因素很多, 如變壓器、二極管、電容、穩(wěn)壓器件等參數(shù), 還有穩(wěn)壓電路的散熱問題等等, 只有解決好這些問題, 才能設(shè)計(jì)出一款性價(jià)比高的直流電源。