線性穩(wěn)壓器必須接入一個(gè)輸出電容以保持其穩(wěn)定性。如果將線性穩(wěn)壓器描述為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，那么輸出電容就是該控制系統(tǒng)的一部分。像所有的控制系統(tǒng)一樣，線性穩(wěn)壓器也有一些不穩(wěn)定的區(qū)域。這些區(qū)域的穩(wěn)定性很大程度上取決于該系統(tǒng)的兩個(gè)參數(shù)：輸出電容的電容值及其等效串聯(lián)電阻(ESR)。

應(yīng)用圖表

對(duì)輸出電容的要求已在每個(gè)線性穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中注明。

例：TLE42754輸出電容要求

一般而言，ESR-輸出電流圖位于英飛凌穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)的穩(wěn)定性板塊中。

沒(méi)有最小ESR要求的穩(wěn)定性圖(TLE42754)

大多數(shù)英飛凌線性穩(wěn)壓器都被設(shè)計(jì)成可在極低ESR電容下保持穩(wěn)定。根據(jù)汽車(chē)電子的要求，推薦使用X5R或X7R電介質(zhì)材料的陶瓷電容。

也有一些較舊的線性穩(wěn)壓器(見(jiàn)下表)為了保持穩(wěn)定性，要求輸出電容有一定的ESR。這些穩(wěn)壓器是此前鉭電容器廣泛使用時(shí)被設(shè)計(jì)出來(lái)的。因此，使用陶瓷電容時(shí)，建議額外連接一個(gè)串聯(lián)電阻到電容器上。

有最小ESR要求的穩(wěn)定性圖(TLE4271-2)

在選擇器件時(shí)，遵循數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)于輸出電容的要求是十分重要的。如果特定的要求無(wú)法被滿足，穩(wěn)壓器可能不穩(wěn)定并導(dǎo)致輸出電壓振蕩。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，擁有 CQ 和 ESR(CQ) 的穩(wěn)定輸出

過(guò)高的ESR (CQ)引發(fā)的振蕩

過(guò)低的 ESR(CQ) 引發(fā)的振蕩

ADI公司的低壓差調(diào)節(jié)器(LDOs)可以與節(jié)省空間的小型陶瓷電容配合使用，但前提是這些電容具有低等效串聯(lián)電阻(ESR);輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定性，建議采用至少1 μF且ESR最大為1 Ω的電容。

輸出電容還會(huì)影響調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載電流變化的響應(yīng)。控制環(huán)路的大信號(hào)帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數(shù)負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流以500 mA/μs的速率從1 mA變?yōu)?00 mA時(shí)，1μF電容無(wú)法提供足夠的電流，因而產(chǎn)生大約80 mV的負(fù)載瞬態(tài)，如圖1所示。

圖1.瞬態(tài)響應(yīng)COUT= 1 μF

當(dāng)電容增加到10 μF時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)會(huì)降至約70 mV，如圖2所示。

圖2.瞬態(tài)響應(yīng)COUT= 10 μF.

當(dāng)輸出電容再次增加并達(dá)到20 μF時(shí)，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路可進(jìn)行跟蹤，主動(dòng)降低負(fù)載瞬態(tài)，如圖3所示。這些示例都采用線性調(diào)節(jié)器ADP151其輸入和輸出電壓分別為5 V和3.3 V。

圖3.瞬態(tài)響應(yīng)COUT= 20 μF.

線性穩(wěn)壓器的輸入電容

在VIN和GND之間連接一個(gè)1μF電容可以降低電路對(duì)PCB布局的要求，特別是在長(zhǎng)輸入走線或高信號(hào)源阻抗的情況下。

如果輸出端上要求使用1μF以上的電容，則應(yīng)增加輸入電容，使之與輸出電容匹配。

輸入和輸出電容特性

輸入和輸出電容必須滿足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造，溫度和電壓不同，其特性也不相同。對(duì)于5 V應(yīng)用，建議采用電壓額定值為6.3 V至10 V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳，因此不適合與LDO一起使用。

圖4所示為采用0402封裝的1μF、10 V X5R電容與偏置電壓之間的關(guān)系。電容的封裝尺寸和電壓額定值對(duì)其電壓穩(wěn)定性影響極大。

圖4.電容與電壓的特性關(guān)系

一般而言，封裝尺寸越大或電壓額定值越高，電壓穩(wěn)定性也就越好。X5R電介質(zhì)的溫度變化率在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)為±15%，與封裝或電壓額定值沒(méi)有函數(shù)關(guān)系。

確定溫度、元件容差和電壓范圍內(nèi)的最差情況下電容，可用溫度變化率和容差來(lái)調(diào)整標(biāo)稱(chēng)電容，如公式1所示：

其中CBIAS是工作電壓下的標(biāo)稱(chēng)電容;TVAR是溫度范圍內(nèi)最差情況下的電容變化率(百分率);TOL是最差情況下的元件容差(百分率)。

本例中，X5R電介質(zhì)在-40°C至+85°C范圍內(nèi)的TVAR為15%;TOL為10%;CBIAS在1.8 V時(shí)為0.94μF，如圖4所示。將這些值代入公式1，即可得出：

為保證LDO的性能，必須正確認(rèn)識(shí)并嚴(yán)格評(píng)估旁路電容的直流偏置、溫度變化率和容差。在要求低噪聲、低漂移或高信號(hào)完整性的應(yīng)用中，也必須考慮電容技術(shù)。所有電容都存在一些不夠理想的行為效應(yīng)，因此所選的電容技術(shù)必須與應(yīng)用需求相適應(yīng)。

1、穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性取決于回路增益和回路相移，LDO也不例外。

2、通常所有的LDO都會(huì)要求其輸出電容的ESR值在某一特定范圍內(nèi)，以保證輸出的穩(wěn)定性。LDO制造商會(huì)提供一系列由輸出電容ESR和負(fù)載電流組成的定義穩(wěn)定范圍的曲線，作為選擇電容時(shí)的參考。這些推薦值可以從相關(guān)的Datasheet上看到。

3、輸出電容是用來(lái)補(bǔ)償LDO穩(wěn)壓器的相位裕度，不合適的ESR會(huì)引起回路振蕩。基本上所有的LDO應(yīng)用中引起的振蕩都是由于輸出電容的ESR過(guò)高或過(guò)低。

4、LDO的輸出電容，一般地，鉭電容是最好的選擇。另一點(diǎn)非常重要，優(yōu)質(zhì)電容的ESR在-40℃到+125℃溫度范圍內(nèi)的變化小于2:1。然而，鋁電解電容在低溫時(shí)的ESR會(huì)變大很多，所以不適合作LDO的輸出電容，應(yīng)排除在外。

5、應(yīng)該注意，大的陶瓷電容(≥1uF)通常會(huì)用很低的ESR(<20mΩ)，這幾乎會(huì)使所有的LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生振蕩。如果使用陶瓷電容就要串聯(lián)電阻以增加ESR。而且大的陶瓷電容的溫度特性較差(例如Z5U型)，也就是說(shuō)在工作范圍內(nèi)的溫度的上升和下降會(huì)使容值成倍的變化，所以它不推薦使用。

6、可能你已注意到，某些LDO專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)使用陶瓷電容，似乎與上面矛盾。已知有兩款LDO，LP2985和LP2989，要求輸出電容貼裝超低ESR的陶瓷電容。這種電容的ESR可以低到5～10mΩ。也就是說(shuō)，在如此低ESR的電容下，LP2985仍能夠穩(wěn)定工作。這是由于，在IC內(nèi)部已經(jīng)放置了鉭輸出電容來(lái)補(bǔ)償零點(diǎn)，此LDO的零點(diǎn)已被集成在IC內(nèi)部。這一做法是為了將可穩(wěn)定的ESR的上限范圍下降。可以查到，LP2985的ESR穩(wěn)定范圍是3Ω-500MΩ，因此它可以使用陶瓷電容。然而這樣小的ESR卻會(huì)使絕大多數(shù)的LDO穩(wěn)壓器引起振蕩。

7、結(jié)論很容易得出：未在內(nèi)部添加零點(diǎn)的典型LDO，所選ESR的范圍一般為100mΩ-5Ω，只能使用鉭電容而不能使用陶瓷電容。因此外部電容產(chǎn)生的零點(diǎn)必須處于足夠高的頻率，這樣就不能使帶寬很寬。否則，高頻極點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的相移從而導(dǎo)致振蕩。

原文標(biāo)題：線性電源：線性穩(wěn)壓器的輸出電容

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審核編輯：湯梓紅