选择旁路电容很重要的原因

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1、电子知识旁路电容(16) 设计人员在选择旁路电容，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他应用时，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。 电容技术 电容具有各种尺寸、额定电压和其他特性，能够满足不同 应用的具体要求。常用电介质材料包括油、纸、玻璃、空气、 云母、聚合物薄膜和金属氧化物。每种电介质均具有特定属性， 决定其是否适合特定的应用。 在电压调节器中，以下三大类电容通常用作电压输入和输 出旁路电容：多层陶瓷电容、固态钽电解电容和铝电解电容。 多层陶瓷电容 多层陶瓷电容(MLCC)不仅尺

2、寸小，而且将低 ESR、低 ESL 和宽工作温度范围特性融于一体，可以说是旁路电容的首选。 不过，这类电容也并非完美无缺。根据电介质材料不同，电容 值会随着温度、直流偏置和交流信号电压动态变化。另外，电 介质材料的压电特性可将振动或机械冲击转换为交流噪声电压。 大多数情况下，此类噪声往往以微伏计，但在极端情况下，机 械力可以产生毫伏级噪声。 电压控制振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、RF 功率放大器(PA) 和其他模拟电路都对供电轨上的噪声非常敏感。在 VCO 和 PLL 中，此类噪声表现为相位噪声；在 RF PA 中，表现为幅 度调制；而在超声、CT 扫描以及处理低电平模拟信号的其他 应用

3、中，则表现为显示伪像。尽管陶瓷电容存在上述缺陷，但 由于尺寸小且成本低，因此几乎在每种电子器件中都会用到。不过，当调节器用在噪声敏感的应用中时，设计人员必须仔细 评估这些副作用。 固态钽电解电容 与陶瓷电容相比，固态钽电容对温度、偏置和振动效应的 敏感度相对较低。新兴一种固态钽电容采用导电聚合物电解质， 而非常见的二氧化锰电解质，其浪涌电流能力有所提高，而且 无须电流限制电阻。此项技术的另一好处是 ESR 更低。固态 钽电容的电容值可以相对于温度和偏置电压保持稳定，因此选 择标准仅包括容差、工作温度范围内的降压情况以及最大 ESR。 导电聚合物钽电容具有低 ESR 特性，成本高于陶瓷电容而 且

4、体积也略大，但对于不能忍受压电效应噪声的应用而言可能 是唯一选择。不过，钽电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电容， 因此不适合一些低电流应用。 固态聚合物电解质技术的缺点是此类钽电容对无铅焊接过 程中的高温更为敏感，因此制造商通常会规定电容在焊接时不 得超过 3 个焊接周期。组装过程中若忽视此项要求，则可能导 致长期稳定性问题。 铝电解电容 传统的铝电解电容往往体积较大、ESR 和 ESL 较高、漏电 流相对较高且使用寿命有限（以数千小时计） 。而 OS-CON 电 容则采用有机半导体电解质和铝箔阴极，以实现较低的 ESR。这类电容虽然与固态聚合物钽电容相关，但实际上要比 钽电容早 10 年或更久

5、。由于不存在液态电解质逐渐变干的问 题，OS-CON 型电容的使用寿命要比传统的铝电解电容长。 大多数电容的工作温度上限为 105，但现在 OS-CON 型电容 可以在最高 125的温度范围内工作。虽然 OS-CON 型电容的性能要优于传统的铝电解电容，但 是与陶瓷电容或固态聚合物钽电容相比，往往体积更大且 ESR 更高。与固态聚合物钽电容一样，这类电容不受压电效 应影响，因此适合低噪声应用。 为 LDO 电路选择电容 1 输出电容 低压差调节器(LDO)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

6、。为确保稳定性，建 议采用至少 1F 且 ESR 最大为 1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 500mA/s 的速率从 1mA 变为 200mA 时，1F 电容无法提供足够的电流，因而产生 大约 80mV 的负载瞬态，如图 1 所示。当电容增加到 10F 时，负载瞬态会降至约 70mV，如图 2 所示。当输出电容再次 增加并达到 20F 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 5V 和 3.3

7、V。 图 1 瞬态响应(COUT=1F) 图 2 瞬态响应(COUT=10F) 图 3 瞬态响应(COUT=20F) 2 输入旁路电容 在 VIN 和 GND 之间连接一个 1F 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信号源阻抗 的情况下。如果输出端上要求使用 1F 以上的电容，则应 增加输入电容，使之与输出电容匹配。3 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 5V 应用，建议采用电压额 定值为 6.310V 的 X5R 或 X7R 电介质。Y5V

8、 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 1F、10V 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。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+85 温度范围内为15%，与封装或电压额定值没有函数关 系。 图 4 电容与电压的特性关系 要确定温度、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，见公式 1。CEFF=CBIAS(1-TVAR)(1-TOL) (1) 其中，CBIAS 是工作电压

9、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） 。More: 数码万年历 More:s2csfa2 本例中，X5R 电介质在40+85范围内的 TVAR 为 15%；TOL 为 10%；CBIAS 在 1.8 V 时为 0.94F，如图 4 所示。将这些值代入公式 1，即可得出：CEFF=0.94F(1-0.15)(1-0.1)=0.719F 在工作电压和温度范围内，ADP151 的最小输出旁路电容 额定值为 0.70F，因而此电容符合该项要求。 IBIS 模型是一种基于 V/I 曲线对 I/O BUFFER 快速准确建模

10、方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它 提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降 时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计 算与仿真。 IBIS 本身只是一种文件格式，它说明在一标准 IBIS 文件 中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这 些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用 IBIS 模型仿真 工具来读取。欲使用 IBIS 进行实际仿真，需要先完成四件工 作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原 始数据转换为 IBIS 格式方法；提供用于仿真可被计算机识别 布局布线信息；提供一种能够读取 IBIS 和布局布线格式并能

11、够进行分析计算软件工具。 IBIS 模型优点可以概括为：在 I/O 非线性方面能够提供 准确模型，同时考虑了封装寄生参数与 ESD 结构；提供比结 构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分 析仿真。可用 IBIS 模型分析信号完整性问题包括：串扰、反 射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构 分析。IBIS 尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真， 它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理 测试无法解决情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户 无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿真平台。 IBIS 模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表 组

12、成。IBIS 模型仿真速度比 SPICE 快很多，而精度只是稍有 下降。 非会聚是 SPICE 模型和仿真器一个问题，而在 IBIS 仿 真中消除了这个问题。实际上，所有 EDA 供应商现在都支持 IBIS 模型，并且它们都很简便易用。 大多数器件 IBIS 模型均 可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个不同厂商推出器件。 IBIS 模型是一种基于 V/I 曲线对 I/O BUFFER 快速准确 建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它 提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降 时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计 算与仿真。 IBIS 本

13、身只是一种文件格式，它说明在一标准 IBIS 文件 中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这 些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用 IBIS 模型仿真 工具来读取。欲使用 IBIS 进行实际仿真，需要先完成四件工 作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原 始数据转换为 IBIS 格式方法；提供用于仿真可被计算机识别 布局布线信息；提供一种能够读取 IBIS 和布局布线格式并能 够进行分析计算软件工具。 IBIS 模型优点可以概括为：在 I/O 非线性方面能够提供 准确模型，同时考虑了封装寄生参数与 ESD 结构；提供比结 构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多

14、板信号完整性分 析仿真。可用 IBIS 模型分析信号完整性问题包括：串扰、反 射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构 分析。IBIS 尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真， 它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理 测试无法解决情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户 无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿真平台。 IBIS 模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表 组成。IBIS 模型仿真速度比 SPICE 快很多，而精度只是稍有 下降。 非会聚是 SPICE 模型和仿真器一个问题，而在 IBIS 仿 真中消除了这个问题。实际上，所有 EDA 供应商现

15、在都支持IBIS 模型，并且它们都很简便易用。 大多数器件 IBIS 模型均 可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个不同厂商 推出器件。 IBIS 模型是一种基于 V/I 曲线对 I/O BUFFER 快速准确 建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它 提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降 时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计 算与仿真。 IBIS 本身只是一种文件格式，它说明在一标准 IBIS 文件 中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这 些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用 IBIS 模型仿真 工具来读取。欲使用

16、 IBIS 进行实际仿真，需要先完成四件工 作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原 始数据转换为 IBIS 格式方法；提供用于仿真可被计算机识别 布局布线信息；提供一种能够读取 IBIS 和布局布线格式并能 够进行分析计算软件工具。 IBIS 模型优点可以概括为：在 I/O 非线性方面能够提供 准确模型，同时考虑了封装寄生参数与 ESD 结构；提供比结 构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分 析仿真。可用 IBIS 模型分析信号完整性问题包括：串扰、反 射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构 分析。IBIS 尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真， 它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理 测试无法解决情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户 无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿真平台。 IBIS 模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表 组成。IBIS 模型仿真速度比 SPI