【東佳學堂】電源設計中的電容應用實例

2020-08-19 12:27:57 admin 359

電源往往是我們在電路設計過程中最容易忽略的環節。其實,作為一款優秀的設計,電源設計應當是很重要的,它很大程度影響了整個系統的性能和成本。

這裏介紹一下電路板電源設計中的電容使用情況,這往往是電源設計中最容易被忽略的地方。


大家對電容的概念大多還停留在理想的電容階段,一般認為電容就是一個C。卻不知道電容還有很多重要的參數,也不知道一個1uF的瓷片電容和一個1uF的鋁電解電容有什麼不同。實際的電容可以等效成下麵的電路形式:

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C:電容容值。一般是指在1kHz,1V 等效AC電壓,直流偏壓為0V情況下測到的,不過也可有很多電容測量的環境不同。但有一點需注意,電容值C本身是會隨環境發生改變的。

 

ESL:電容等效串聯電感。電容的管腳是存在電感的。在低頻應用時感抗較小,所以可以不考慮。當頻率較高時,就要考慮這個電感了。舉個例子,一個0805封裝的0.1uF貼片電容,每管腳電感1.2nH,那麼ESL是2.4nH,可以算一下C和ESL的諧振頻率為10MHz左右,當頻率高於10MHz,則電容體現為電感特性。

 

ESR:電容等效串聯電阻。無論哪種電容都會有一個等效串聯電阻,當電容工作在諧振點頻率時,電容的容抗和感抗大小相等,於是等效成一個電阻,這個電阻就是ESR。因電容結構不同而有很大差異。鋁電解電容ESR一般由幾百毫歐到幾歐,瓷片電容一般為幾十毫歐,鉭電容介於鋁電解電容和瓷片電容之間。下麵我們看一些X7R材質瓷片電容的頻率特性:

 

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當然,電容相關的參數還有很多,不過,設計中最重要的還是C和ESR。

 

 

下麵簡單介紹一下我們常用到的三種電容:鋁電解電容,瓷片電容和鉭電容。

 

1)鋁電容是由鋁箔刻槽氧化後再夾絕緣層卷制,然後再浸電解質液製成的,其原理是化學原理,電容充放電靠的是化學反應,電容對信號的回應速度受電解質中帶電離子的移動速度限制,一般都應用在頻率較低(1M 以下)的濾波場合,ESR主要為鋁萡電阻和電解液等效電阻的和,值比較大。鋁電容的電解液會逐漸揮發而導致電容減小甚至失效,隨溫度升高揮發速度加快。溫度每升高10度,電解電容的壽命會減半。如果電容在室溫27 度時能使用10000小時的話,57度的環境下只能使用1250小時。所以鋁電解電容儘量不要太靠近熱源。

 

2)瓷片電容存放電靠的是物理反應,因而具有很高的回應速度,可以應用到上G的場合。不過,瓷片電容因為介質不同,也呈現很大的差異。性能最好的是C0G材質的電容,溫度係數小,不過材質介電常數小,所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質,這種材質介電常數大,所以容值能做到幾十微法。但是這種材質受溫度影響和直流偏壓(直流電壓會致使材質極化,使電容量減小)影響很嚴重。下麵我們看一下C0G、X5R、Y5V三種材質電容受環境溫度和直流工作電壓的影響。

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可以看到C0G的容值基本不隨溫度變化,X5R穩定性稍差些,而Y5V材質在60度時,容量變為標稱值的50%。

 

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可以看到50V 耐壓的Y5V 瓷片電容在應用在30V 時,容量只有標稱值的30%。陶瓷電容有一個很大的缺點,就是易碎。所以需要避免磕碰,儘量遠離電路板易發生形變的地方。

 


3)鉭電容無論是原理和結構都像一個電池。下麵是鉭電容的內部結構示意圖:

 

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鉭電容擁有體積小、容量大、速度快、ESR低等優勢,價格也比較高。決定鉭電容容量和耐壓的是原材料鉭粉顆粒的大小。顆粒越細可以得到越大的電容,而如果想得到較大的耐壓就需要較厚的Ta2O5,這就要求使用顆粒大些的鉭粉。所以體積相同要想獲得耐壓高而又容量大的鉭電容難度很大。鉭電容需引起注意的另一個地方是:鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性,抗浪湧能力差。很可能由於一個大的瞬間電流導致電容燒毀而形成短路。這在使用超大容量鉭電容時需考慮(比如1000uF 鉭電容)。