LDO 基礎(chǔ)知識(shí)：電容器與電容

1.前言

低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 可為所有類型的應(yīng)用提供電源。但要使 LDO 正常工作，我們需要一個(gè)輸出電容器。在應(yīng)用中設(shè)計(jì) LDO 時(shí)的一個(gè)常見問題是選擇正確的輸出電容器。在這篇文章中，我將探討選擇輸出電容器時(shí)的不同考慮以及它可能如何影響我們的 LDO。

2.什么是電容器？

電容器是一種用于儲(chǔ)存電荷的裝置，由一對(duì)或多對(duì)由絕緣體隔開的導(dǎo)體組成。電容器通常由鋁、鉭或陶瓷制成。在系統(tǒng)中使用時(shí)，這些材料中的每一種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表 1 中所列。我通常推薦陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兊碾娙葑兓苄?，而且成本低?

3.什么是電容？

電容器是一種儲(chǔ)存電荷的裝置，而電容則是儲(chǔ)存電荷的能力。在理想情況下，寫在電容器上的值與其提供的電容量完全相同。但我們并不生活在一個(gè)理想的世界中，所以你不能以表面價(jià)值來衡量電容器。稍后我們將看到電容器的電容可能只有其額定值的 10%。這可能是由于直流電壓偏置引起的降額、溫度變化或制造商公差引起的降額。

4.直流電壓降額

考慮到電容器的動(dòng)態(tài)特性（以非線性方式存儲(chǔ)和耗散電荷），在不施加外部電場的情況下可能會(huì)發(fā)生某些極化；這被稱為“自發(fā)極化”。自發(fā)極化是由材料的惰性電場產(chǎn)生的，它使電容器具有初始電容。向電容器施加外部直流電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場，該電場會(huì)反轉(zhuǎn)初始極化，然后“鎖定”或?qū)⑵溆嘤性磁紭O子極化到位。極化與電介質(zhì)內(nèi)的電場方向有關(guān)。

如圖 1 所示，鎖定偶極子不會(huì)對(duì) AC 電壓瞬變做出反應(yīng)；結(jié)果，有效電容變得低于施加直流電壓之前的值。

圖 1：直流電壓降額

圖 2 顯示了對(duì)電容器施加電壓的影響以及由此產(chǎn)生的電容。請(qǐng)注意較大的外殼尺寸如何損失較少的電容；這是因?yàn)檩^大的外殼尺寸在導(dǎo)體之間具有更多的電介質(zhì)，這會(huì)降低電場強(qiáng)度并鎖定更少的偶極子。

圖 2：電容 vs. DC 偏置 vs. 電容尺寸

5.溫度降額

與所有電子產(chǎn)品一樣，電容器具有指定其性能的溫度額定值。這種溫度降額通?？梢栽陔娙萜鞯臄?shù)值下方找到。表 2 是電容器的溫度系數(shù)額定值解碼器表。

表2：陶瓷電容代號(hào)表

大多數(shù) LDO 結(jié)溫通常規(guī)定為 -40°C 至 125°C。基于這個(gè)溫度范圍，X5R 或 X7R 電容器是最好的。

如圖 3 所示，溫度本身對(duì)電容的影響遠(yuǎn)小于 DC 偏置降額，這可能會(huì)將電容值降低多達(dá) 90%。

圖 3：電容 vs. 溫度 vs. 溫度系數(shù)

6.制造商公差

由于實(shí)際電容器的非理想特性，電容值本身可能會(huì)根據(jù)電容器的材料和尺寸而變化。制造電容器和其他無源電子元件的公司將有一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，說明其元件可以承受的電容值。在這篇文章中，我將在計(jì)算電容時(shí)使用 ±20% 作為制造公差。

7.一個(gè)真實(shí)的應(yīng)用

一個(gè)常見的 LDO 應(yīng)用是從 3.6V 電池獲取輸入電壓，然后將其壓降為微控制器 (1.8V) 供電。在本例中，我將使用 0603 封裝的 10μF X7R 陶瓷電容器。0603 封裝是指電容器的尺寸：0.06 英寸 x 0.03 英寸。

讓我們找出該電容器在此應(yīng)用中的真實(shí)電容值：

· 直流偏置降額：通過使用制造商提供的電容器直流偏置特性圖表（圖 2），我們可以看到電容值為 7μF。

· 熱降額：如果該電容器處于 125°C 的環(huán)境溫度，我們會(huì)看到電容值再下降 15%，使新的總數(shù)達(dá)到 5.5μF。

· 制造商容差：考慮到制造商的 ±20% 容差，電容的最終值為 3.5μF。

如我們所見，在這些條件下，10μF 電容器的真實(shí)值為 3.5μF。電容值下降到標(biāo)稱值的 65% 左右。顯然，并非所有這些條件都適用，但了解電容器可為我們的應(yīng)用提供的電容值范圍很重要。

8.結(jié)論

盡管 LDO 和電容器起初看起來很簡單，但還有其他因素在影響 LDO 正常工作所需的有效電容。