请问一下LDO旁路电容该如何选择呢？

▍虽然很多工程师们在解决噪声问题上往往认为电容是一种有效的途径，但是电容本身的作用可不仅于此。绝大多数噪声问题，工程师们通过添加几个电容得到很好的解决，但很少有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，电容并不完美的，反之，电容会带来寄生等效串联电阻(ESR)和电感(ESL)的问题，并且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。

▍设计人员在选择旁路电容时，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。

▍那么为了保证LDO的性能,必须了解并评估旁通电容的直流偏置、温度变化和容差对所选电容的影响。此外,在要求低噪声、低漂移或高信号完整性的应用中,也必须认真考虑电容技术。所有电容都会受到非理想行为的影响,但一些电容技术比其他技术更适合于某些特定应用。

 

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不同电容技术关键参数对比

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输出输入电容选型

 输出电容

▍ADI公司LDO设计采用节省空间的小型陶瓷电容工作,但只要考虑ESR值,便可以采用大多数常用电容。输出电容的ESR会影响LDO控制回路的稳定性。为了确保LDO稳定工作,推荐使用至少1μF、ESR为1Ω或更小的电容。

▍输出电容还会影响负载电流变化的瞬态响应。采用较大的输出电容值可以改善LDO对大负载电流变化的瞬态响应。图1至3所示为输出电容值分别为1μF、10μF和20μF的ADP151的瞬态响应。

▍因为LDO控制环路的带宽有限,因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。1μF电容无法持续很长时间供应电流并产生约80mV的负载瞬变。10μF电容将负载瞬变降低至约70mV。将输出电容提高至20μF,LDO控制回路就可捕捉并主动降低负载瞬变。测试条件如表1所示。

测 试 条 件

输出负载瞬态响应,COUT = 1 μF

输出瞬态负载响应,COUT = 10 μF

输出负载瞬态响应,COUT = 20 μF

 输入旁路电容

▍在VIN和GND之间连接一个1μF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源阻抗的情况下。如果要求输出电容大于1μF,应选用更高的输入电容。

输入和输出电容特性

▍只要符合最小电容和最大ESR要求,LDO可以采用任何质量良好的电容。陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造,温度和所施加的电压不同,其特性也不相同。电容必须具有足以在工作温度范围和直流偏置条件下确保最小电容的电介质。建议在5V应用中使用电压额定值为6.3V或10V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,建议不要使用。

▍电容的电压稳定性受电容封装尺寸和电压额定值影响极大。一般来说,封装较大或电压额定值较高的电容具有更好的电压稳定性。X5R电介质的温度变化率在-40°C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。

0402、1μF、10V、X5R电容的电容与电压偏置关系特性

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关注电容的ESR

▍在基于 PMOS 或 PNP 调整元件的 LDO 调节器中有三个重要的极点。主要极点 P（DOM）在调节器的误差放大器中设置。负载极点 P（LOAD） 由输出电容器和负载形成， 因此随负载电流的不同而有所差异。通路设备极点 P（PASS）由通路元件的寄生电容形成。为了保证任何负反馈系统的稳定， 系统的开环增益在相位为 360° 时应在 0dB 之下（180° 的反馈信号加 180° 误差放大器的反相输入）。换言之，系统必须具备充分的相位边限， 这就是说， 相移量在增益为0dB 时保持为 360° 。

由于每个极点会产生 90° 的相移和 20dB/10 倍频（或 -1） 的增益滚降， 因此为了保证三极点高增益系统的稳定， 就需要进行补偿。如果开环增益曲线在达到 0dB 之前以 20dB/10 倍频的速度滚降（也就是说，像单极点系统一样），那么我们就说调节器无论在何种条件下都是稳定的（也就是说，有足够的相位边限）。最常见的补偿方法是在系统中插入零来取消相移和一个极点的滚降。由于 LDO 已经就正常运行要求了一个输出电容器，因此使用输出电容器的ESR 通常就是最简单也最廉价的生成零的方法。

典型 PMOS 或 PNP 开环增益曲线

▍挑战在于如何选择一个具有正确 ESR 量的电容器。ESR 必须足够高， 以降低 Z（ESR） 频率， 从而保证增益变化斜线在达到 0dB 时为 －20dB/10 倍频， 而不是 40dB/10 倍频（－2），但它也要足够低，从而保证 Z（ESR） 频率足够高，这样增益才能在 P（PASS） 之前达到0dB以下。

▍在 TI 的大多数调节器数据表单中， 都会指定最低电容器值， 并给出输出电容器（通常还有另一个电容器）的 ESR 和输出电流。

TPS76050典型的 ESR－输出电流

▍该设备的曲线就最低的 2.2-μF 输出电容器要求 ESR 必须在 0.1Ω 和 20Ω 之间。电容器的 ESR 一般不超过 2Ω， 因此这里 ESR 的上限通常可忽略。下限实际上设置了 Z（ESR）的最大值。上图给出的 2.2-μF 电容器而言， Z（ESR） 的最大值如下：

输出电容－ESR 示例

▍因此，任何大于 0.1 × 2.2 x 10-6 = 2.2 x 10-7（但小于 20 × 2.2 x 10-6= 4.4 x 10-5）的电容和 ESR 产品， 只要其电容大于所要求最小值， 就都是稳定的。 上图给出的曲线反映了这一点。使用更大电容器的 LDO 调节器与较小的 ESR 在一起就是稳定的。事实上， 更大的电容和/或较小的 ESR 值能够改善输出瞬时反应。

电容器阻抗曲线的

▍上图显示了电容器阻抗曲线的一般形状。电容器开始具有电容性（XC），随后在其谐振点附近带有电阻性（ESR）， 最后在高频率时带有电感应性（XL）。曲线（Z） 的阻抗是上述每个成分的结合。

▍电容器通常都以特定频率上的最大 ESR 确定。该频率通常在 10 kHz 和 100 kHz 之间，且位于谐振点附近。为了保证电容器的最小 ESR 不低于最低 ESR 要求， 设计人员应当向制造商处请求获得整个有关温度范围内的 ESR－频率曲线。某些制造商可能提供此信息。如果阻抗曲线可用的话，那么曲线停止下降而保持水平的区域就是电容器的 ESR 决定电容的地方。

▍我们也可以将小型的低 ESR 的电阻器与陶瓷电容器串联在一起。该电阻器必须能够适应温度要求，能在稳定曲线许可范围内保持其值。

负载瞬变测试

▍进行负载瞬变测试并观察输出的振荡量是确定所选电容是否稳定的最佳途径。上图显示了以 MOSFET 开关和函数生成器进行负载瞬变测试的测试设置。该设置适用于大多数电子负载，因为模拟的瞬变要快得多。

左图：带有2.2-μF陶瓷电容器 

右图：带有2.2-μF陶瓷电容器和1ΩESR

▍上左图显示了以带有2.2-μF 陶瓷（低 ESR）电容器的 TPS76050 设备所得出的测量结果。上右图则显示了以带有2.2-μF 陶瓷电容器和 1Ω 串联电阻器的 TPS76050 设备所得出的测量结果。上左图中的结果显示了初始尖峰脉冲后的多次摆动和振荡，而上右图中的结果则显示了稳定的负载瞬变。通常说来，四次或更少的振荡则反映出已具备足够的相位容限，设备能够保持稳定。

审核编辑：刘清