【導讀】在追求高性能、高集成度芯片設計的今天，工程師們的目光往往聚焦於處理器內核
、高速接口或先進的電源架構。然而

，一個看似簡單
、常被歸類為“低級被動元件”的組件——電容
，卻常常成為決定係統成敗的隱性關鍵。特別是在低壓差線性穩壓器（LDO） 這類廣泛應用的基礎電源電路中，電容的選擇絕非隨意為之。它直接主宰著電源的穩定性、噪聲

、瞬態響應和可靠性。本文基於ADI（亞德諾半導體）公司的技術精髓，旨在撥開迷霧，為工程師提供一份邏輯清晰、實操性強的LDO電容選擇深度指南。

為什麼電容的選擇至關重要？

在追求高性能
、高集成度芯片設計的今天

，工程師們的目光往往聚焦於處理器內核
、高速接口或先進的電源架構。然而
，一個看似簡單
、常被歸類為“低級被動元件”的組件——電容，卻常常成為決定係統成敗的隱性關鍵。特別是在低壓差線性穩壓器（LDO） 這類廣泛應用的基礎電源電路中，電容的選擇絕非隨意為之。它直接主宰著電源的穩定性

、噪聲、瞬態響應和可靠性。本文基於ADI（亞德諾半導體）公司的技術精髓
，旨在撥開迷霧
，為工程師提供一份邏輯清晰
、實操性強的LDO電容選擇深度指南。

工程師們通常通過添加一些電容的辦法來解決噪聲問題。這是因為他們普遍將電容視為解決噪聲相關問題的“靈丹妙藥”，很少考慮電容和額定電壓以外的參數。但是，和其他電子元器件一樣
，電容也有缺陷

，例如寄生電阻
、電感、電容溫漂和電壓偏移等非理想特性。

為(wei)許(xu)多(duo)旁(pang)路(lu)應(ying)用(yong)或(huo)電(dian)容(rong)實(shi)際(ji)容(rong)值(zhi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)電(dian)容(rong)時(shi)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)上(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)。電(dian)容(rong)選(xuan)擇(ze)不(bu)當(dang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)不(bu)穩(wen)定(ding)
，噪(zao)聲(sheng)或(huo)功(gong)耗(hao)過(guo)大(da)
，產(chan)品(pin)壽(shou)命(ming)縮(suo)短(duan)，以(yi)及(ji)電(dian)路(lu)行(xing)為(wei)不(bu)可(ke)預(yu)測(ce)等(deng)現(xian)象(xiang)。

電容技術

電容具有各種尺寸
、額定電壓和其它特性，能夠滿足不同應用的具體要求。常用電介質材料包括油、紙
、玻璃
、空氣
、雲母、各種聚合物薄膜和金屬氧化物。每一種電解質都具有一係列特定屬性，可滿足每種應用的獨特需求。

在穩壓器中，有三大類電容通常用作電壓輸入和輸出旁路電容：多層陶瓷電容、固態鉭電解電容和鋁電解電容。

多層陶瓷電容

多層陶瓷電容(MLCC)同時具有小型、有效串聯電阻和電感（ESR和ESL）低
、工作溫度範圍寬的優點
，通常是作為旁路電容的首選。

它(ta)並(bing)非(fei)無(wu)可(ke)挑(tiao)剔(ti)。根(gen)據(ju)所(suo)用(yong)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)材(cai)料(liao)
，電(dian)容(rong)可(ke)能(neng)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)和(he)交(jiao)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)發(fa)生(sheng)大(da)幅(fu)偏(pian)移(yi)。此(ci)外(wai)，因(yin)為(wei)在(zai)許(xu)多(duo)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)中(zhong)介(jie)質(zhi)材(cai)料(liao)具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)性(xing)，振(zhen)動(dong)或(huo)機(ji)械(xie)衝(chong)擊(ji)可(ke)能(neng)會(hui)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)容(rong)上(shang)的(de)交(jiao)流(liu)噪(zao)聲(sheng)電(dian)壓(ya)。在(zai)大(da)部(bu)分(fen)情(qing)況(kuang)下(xia)，此(ci)噪(zao)聲(sheng)一(yi)般(ban)處(chu)於(yu)微(wei)伏(fu)範(fan)圍(wei)內(nei)。但(dan)在(zai)極(ji)端(duan)情(qing)況(kuang)下(xia)，可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)毫(hao)伏(fu)級(ji)的(de)噪(zao)聲(sheng)。

VCO
、PLL
、RF PA以及低電平模擬信號鏈等應用對電源軌上的噪聲非常敏感。這種噪聲在VCO和PLL中表現為相位噪聲，而在RF PA中則為載波振幅調製。在EEG
、超聲波和CAT掃sao描miao前qian置zhi放fang大da器qi等deng低di電dian平ping信xin號hao鏈lian應ying用yong中zhong

，噪zao聲sheng會hui導dao致zhi在zai這zhe些xie儀yi器qi的de輸shu出chu中zhong出chu現xian雜za散san噪zao聲sheng。在zai所suo有you這zhe些xie噪zao聲sheng敏min感gan應ying用yong中zhong，必bi須xu認ren真zhen評ping估gu多duo層ceng陶tao瓷ci電dian容rong。

xuanzetaocidianrongshishifoukaolvwenduhedianyaxiaoyingfeichangzhongyao。duocengtaocidianrongxuanxingbufentandaolegenjugongchahezhiliupianzhitexinglaiquedingmougedianrongdezuixiaodianrongzhideguocheng。

雖然陶瓷電容仍有缺點


，但對於許多應用都能夠實現尺寸最小、性價比最高的解決方案，因此在當今幾乎每一類電子設備上都能看到它們的身影。

固態鉭電解電容

固態鉭電解電容單位體積電容最高（CV乘積）。隻有雙層或超級電容才具有更高的CV乘積。

在1 μF範圍內，陶瓷電容仍然更小且ESR低於鉭電容，但固態鉭電容不太會受到溫度、偏置電壓或震動效應的影響。鉭電容比陶瓷電容貴好幾倍
，但在無法容忍壓電效應的低噪聲應用中
，鉭電容常常是唯一可行的選擇。

市麵上的傳統低容值固態鉭電容所用外殼往往一般較小
，故等效串聯電阻(ESR)較高。大容值(>68 μF)鉭電容可具有低於1 Ω的ESR，但一般體積較大。

最(zui)近(jin)市(shi)場(chang)上(shang)出(chu)現(xian)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)鉭(tan)電(dian)容(rong)，它(ta)使(shi)用(yong)導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)解(jie)質(zhi)代(dai)替(ti)普(pu)通(tong)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)錳(meng)固(gu)態(tai)電(dian)解(jie)質(zhi)。過(guo)去(qu)，固(gu)態(tai)鉭(tan)電(dian)容(rong)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)有(you)限(xian)，需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)將(jiang)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)在(zai)安(an)全(quan)值(zhi)內(nei)。導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)鉭(tan)電(dian)容(rong)不(bu)會(hui)受(shou)到(dao)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)的(de)另(ling)一(yi)好(hao)處(chu)是(shi)電(dian)容(rong)ESR更低。

任何鉭電容的泄漏電流比等值陶瓷電容大好幾倍
，可能不適合超低電流應用。

例如，在85°C工作溫度下，1 μF/25 V鉭電容在額定電壓下的最大泄漏電流為2.5 μA。

多家廠商提供0805外殼、1 μF/25 V、500 mΩ ESR的導電聚合物鉭電容。雖然比0402或0603外殼的典型1 μF陶瓷電容更大一些
，但0805在RF和PLL等以低噪聲為主要設計目標的應用中，電容尺寸還是明顯有所縮小。

因為固態鉭電容的電容值可以相對於溫度和偏置電壓保持穩定的電容特性，因此選擇標準僅包括容差、工作溫度範圍內的降壓情況以及最大ESR。

固gu態tai聚ju合he物wu電dian解jie質zhi技ji術shu的de一yi大da缺que點dian是shi
，這zhe類lei鉭tan電dian容rong在zai無wu鉛qian焊han接jie工gong藝yi中zhong更geng容rong易yi受shou高gao溫wen影ying響xiang。一yi般ban情qing況kuang下xia，製zhi造zao商shang會hui詳xiang細xi說shuo明ming電dian容rong不bu得de暴bao露lu於yu三san個ge以yi上shang的de焊han接jie周zhou期qi。如ru果guo在zai裝zhuang配pei工gong藝yi中zhong忽hu視shi這zhe一yi要yao求qiu，就jiu會hui導dao致zhi長chang期qi可ke靠kao性xing問wen題ti。

鋁電解電容

傳統的鋁電解電容往往體積較大、ESR和ESL較高
、漏電流相對較高且使用壽命有限（以數千小時計）。

OS-CON型電容是一種與固態聚合物鉭電容有關的技術，實際上比鉭電容早10年或更早就問世了。它們采用有機半導體電解質和鋁箔陰極，以實現較低的ESR。因為不存在液態電解質逐漸變幹的問題，OS-CON型電容的使用壽命比傳統鋁電解電容有了很大的提高。

目前市麵的OS-CON型電容可承受125°C高溫，但大多數仍停留在105°C。

雖然OS-CON型電容的性能比傳統的鋁電解電容明顯改善，但是與陶瓷電容或固態聚合物鉭電容相比
，往往體積更大、ESR更高。與固態聚合物鉭電容一樣，它們不受壓電效應影響，適合要求低噪聲的應用場合。

多層陶瓷電容選型

輸出電容

ADI公司LDO設計采用節省空間的小型陶瓷電容工作，但隻要考慮ESR值，它們便可以采用大多數常用電容。輸出電容的ESR會影響LDO控製環路的穩定性。為了確保LDO穩定工作，推薦使用至少1 μF、ESR為1 Ω或更小的電容。

輸出電容還會影響負載電流變化的瞬態響應。采用較大的輸出電容值可以改善LDO對大負載電流變化的瞬態響應。圖1至3所示為輸出電容值分別為1 μF、10 μF和20 μF的ADP151的瞬態響應。

因為LDO控製環路的帶寬有限，因此輸出電容必須提供快速瞬變所需的大多數負載電流。1 μF電容無法持續很長時間供應電流
，會產生約80 mV的負載瞬變。10 μF電容將負載瞬變降低至約70 mV。將輸出電容提高至20 μF
，LDO控製回路就能快速響應並主動降低負載瞬變。測試條件如表1所示。

表1.測試條件

圖1.輸出負載瞬態響應，COUT = 1 μF

圖2.輸出負載瞬態響應，COUT = 10 μF

圖3.輸出負載瞬態響應，COUT = 20 μF

輸入旁路電容

在VIN和GND之間連接一個1 µF電容可以降低電路對PCB布局的敏感性，特別是在長輸入走線或高源阻抗的情況下。如果要求輸出電容大於1 μF，應選用更高的輸入電容。

輸入和輸出電容特性

隻要符合最小電容和最大ESR要求，LDO可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)任(ren)何(he)質(zhi)量(liang)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)容(rong)。陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)可(ke)采(cai)用(yong)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)製(zhi)造(zao)，溫(wen)度(du)和(he)所(suo)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)不(bu)同(tong)時(shi)其(qi)特(te)性(xing)也(ye)不(bu)相(xiang)同(tong)。電(dian)容(rong)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)足(zu)以(yi)在(zai)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)和(he)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)條(tiao)件(jian)下(xia)確(que)保(bao)最(zui)小(xiao)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)介(jie)質(zhi)。建(jian)議(yi)在(zai)5V應用中使用電壓額定值為6.3 V或10 V的X5R或X7R電介質。Y5V和Z5U電介質的溫度和直流偏置特性不佳，建議不要使用。

圖4所示為0402
、1 μF、10 V、X5R電dian容rong的de電dian容rong與yu電dian壓ya偏pian置zhi特te性xing關guan係xi圖tu。電dian容rong的de電dian壓ya穩wen定ding性xing受shou電dian容rong封feng裝zhuang尺chi寸cun和he電dian壓ya額e定ding值zhi影ying響xiang極ji大da。一yi般ban來lai說shuo，封feng裝zhuang較jiao大da或huo電dian壓ya額e定ding值zhi較jiao高gao的de電dian容rong具ju有you更geng好hao的de電dian壓ya穩wen定ding性xing。X5R電介質的溫度變化率在−40°C至+85°C溫度範圍內約為±15%，與封裝或電壓額定值沒有函數關係。

圖4.電容與電壓偏置特性的關係

考慮電容隨溫度、元件容差和電壓的變化時，可以利用公式1確定最差情況下的電容。

其中：

CBIAS是工作電壓下的有效電容。

TVAR為最差情況下電容隨溫度的變化量（幾分之一）。

TOL為最差情況下的元件容差（幾分之一）。

本例中，假定X5R電介質在−40°C至+85°C範圍內的最差情況電容(TVAR)為0.15(15%)。假設電容容差(TOL)為0.10 (10%)
，CBIAS在1.8 V下為0.94 μF，如圖4所示。

將這些值代入公式1中可得到：

在此示例中，LDO指定在期望工作電壓和溫度範圍內的最小輸出旁路電容為0.70 μF。因此，針對此應用所選的電容滿足此要求。

結語

為了保證LDO的性能，必須了解並評估旁路電容的直流偏置、溫度變化和容差對所選電容的影響。

此外，在要求低噪聲、dipiaoyihuogaoxinhaowanzhengxingdeyingyongzhong，yebixurenzhenkaolvdianrongjishu。suoyoudianrongdouhuishoudaofeilixiangxingweideyingxiang，danyixiedianrongjishubiqitajishugengshiheyumouxietedingyingyong。

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