线性电源（2）线性稳压器的输出电容

前期内容：线性电源（1）

 

线性稳压器必须接入一个输出电容以保持其稳定性。如果将线性稳压器描述为一个简单的控制系统，那么输出电容就是该控制系统的一部分。像所有的控制系统一样，线性稳压器也有一些不稳定的区域。这些区域的稳定性很大程度上取决于该系统的两个参数：输出电容的电容值及其等效串联电阻（ESR）。

 

应用图表  

 

    对输出电容的要求已在每个线性稳压器的数据手册中注明。

 

例：TLE42754输出电容要求

    一般而言，ESR-输出电流图位于英飞凌稳压器数据手册的稳定性板块中。

 

没有最小ESR要求的稳定性图（TLE42754）

 

 

    大多数英飞凌线性稳压器都被设计成可在极低ESR电容下保持稳定。根据汽车电子的要求，推荐使用X5R或X7R电介质材料的陶瓷电容。

    也有一些较旧的线性稳压器（见下表）为了保持稳定性，要求输出电容有一定的ESR。这些稳压器是此前钽电容器广泛使用时被设计出来的。因此，使用陶瓷电容时，建议额外连接一个串联电阻到电容器上。

有最小ESR要求的稳定性图（TLE4271-2）

 

    在选择器件时，遵循数据手册中对于输出电容的要求是十分重要的。如果特定的要求无法被满足，稳压器可能不稳定并导致输出电压振荡。

 

    根据数据手册，拥有 CQ 和 ESR(CQ) 的稳定输出

 

过高的ESR (CQ)引发的振荡

 

 过低的 ESR(CQ) 引发的振荡

ADI公司的低压差调节器(LDOs)可以与节省空间的小型陶瓷电容配合使用，但前提是这些电容具有低等效串联电阻(ESR)；输出电容的ESR会影响LDO控制环路的稳定性。为确保稳定性，建议采用至少1 µF且ESR最大为1 Ω的电容。

输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应。控制环路的大信号带宽有限，因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。当负载电流以500 mA/µs的速率从1 mA变为200 mA时，1µF电容无法提供足够的电流，因而产生大约80 mV的负载瞬态，如图1所示。

图1.瞬态响应COUT= 1 µF

当电容增加到10 µF时，负载瞬态会降至约70 mV，如图2所示。

图2.瞬态响应COUT= 10 µF.

当输出电容再次增加并达到20 µF时，调节器控制环路可进行跟踪，主动降低负载瞬态，如图3所示。这些示例都采用线性调节器ADP151其输入和输出电压分别为5 V和3.3 V。

图3.瞬态响应COUT= 20 µF.

线性稳压器的输入电容

在VIN和GND之间连接一个1µF电容可以降低电路对PCB布局的要求，特别是在长输入走线或高信号源阻抗的情况下。

如果输出端上要求使用1µF以上的电容，则应增加输入电容，使之与输出电容匹配。

 

输入和输出电容特性

输入和输出电容必须满足预期工作温度和工作电压下的最小电容要求。陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造，温度和电压不同，其特性也不相同。对于5 V应用，建议采用电压额定值为6.3 V至10 V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，因此不适合与LDO一起使用。

图4所示为采用0402封装的1µF、10 V X5R电容与偏置电压之间的关系。电容的封装尺寸和电压额定值对其电压稳定性影响极大。

图4.电容与电压的特性关系

一般而言，封装尺寸越大或电压额定值越高，电压稳定性也就越好。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。

确定温度、元件容差和电压范围内的最差情况下电容，可用温度变化率和容差来调整标称电容，如公式1所示：

其中CBIAS是工作电压下的标称电容；TVAR是温度范围内最差情况下的电容变化率（百分率）；TOL是最差情况下的元件容差（百分率）。

本例中，X5R电介质在-40°C至+85°C范围内的TVAR为15%；TOL为10%；CBIAS在1.8 V时为0.94µF，如图4所示。将这些值代入公式1，即可得出：

为保证LDO的性能，必须正确认识并严格评估旁路电容的直流偏置、温度变化率和容差。在要求低噪声、低漂移或高信号完整性的应用中，也必须考虑电容技术。所有电容都存在一些不够理想的行为效应，因此所选的电容技术必须与应用需求相适应。

 

1、稳压器的稳定性取决于回路增益和回路相移，LDO也不例外。

2、通常所有的LDO都会要求其输出电容的ESR值在某一特定范围内，以保证输出的稳定性。LDO制造商会提供一系列由输出电容ESR和负载电流组成的定义稳定范围的曲线，作为选择电容时的参考。这些推荐值可以从相关的Datasheet上看到。

3、输出电容是用来补偿LDO稳压器的相位裕度，不合适的ESR会引起回路振荡。基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是由于输出电容的ESR过高或过低。

4、LDO的输出电容，一般地，钽电容是最好的选择。另一点非常重要，优质电容的ESR在－40℃到＋125℃温度范围内的变化小于2:1。然而，铝电解电容在低温时的ESR会变大很多，所以不适合作LDO的输出电容，应排除在外。

5、应该注意，大的陶瓷电容（≥1uF）通常会用很低的ESR（＜20mΩ），这几乎会使所有的LDO稳压器产生振荡。如果使用陶瓷电容就要串联电阻以增加ESR。而且大的陶瓷电容的温度特性较差（例如Z5U型），也就是说在工作范围内的温度的上升和下降会使容值成倍的变化，所以它不推荐使用。

6、可能你已注意到，某些LDO专门设计使用陶瓷电容，似乎与上面矛盾。已知有两款LDO，LP2985和LP2989，要求输出电容贴装超低ESR的陶瓷电容。这种电容的ESR可以低到5～10mΩ。也就是说，在如此低ESR的电容下，LP2985仍能够稳定工作。这是由于，在IC内部已经放置了钽输出电容来补偿零点，此LDO的零点已被集成在IC内部。这一做法是为了将可稳定的ESR的上限范围下降。可以查到，LP2985的ESR稳定范围是3Ω-500MΩ，因此它可以使用陶瓷电容。然而这样小的ESR却会使绝大多数的LDO稳压器引起振荡。

7、结论很容易得出：未在内部添加零点的典型LDO，所选ESR的范围一般为100mΩ-5Ω，只能使用钽电容而不能使用陶瓷电容。因此外部电容产生的零点必须处于足够高的频率，这样就不能使带宽很宽。否则，高频极点会产生很大的相移从而导致振荡。

 

 

本文整理自：

《关于LDO的那点事儿之九LDO输出电容选择》英飞凌汽车生态圈，作者：Alena

《ADI无源器件使用要点》ADI智库，作者：ADI

《LDO输出电容的选型_Detective_ALong_新浪博客》作者：Detective_ALong