電容怎么選更合適？

電容在 SMPS（開關(guān)電源） 設(shè)計(jì)中有多種作用：儲(chǔ)能、濾波、補(bǔ)償、軟啟動(dòng)編程等。像所有實(shí)際器件一樣，電容有寄生效應(yīng)，設(shè)計(jì)人員必須注意。就 SMPS 儲(chǔ)能和濾波而言，兩個(gè)最重要的寄生效應(yīng)是有效串聯(lián)電阻 (ESR) 和有效串聯(lián)電感 (ESL)。圖 2 所示為簡化的實(shí)際電容圖。

理想電容的阻抗會(huì)隨著頻率提高而單調(diào)下降。下圖顯示了兩個(gè)不同 100 F 電容的阻抗與頻率的關(guān)系。一個(gè)是鋁電解型，另一個(gè)是多層陶瓷電容。在較低頻率時(shí)，阻抗隨著頻率提高而單調(diào)下降，符合預(yù)期。然而，由于存在 ESR，在某一頻率時(shí)，此阻抗會(huì)達(dá)到最小值。當(dāng)頻率繼續(xù)提高時(shí)，電容開始表現(xiàn)得像一個(gè)電感，阻抗也會(huì)隨之提高。阻抗與頻率的關(guān)系曲線稱為“浴盆”曲線，所有實(shí)際電容都有類似行為。

下圖展示了降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電容功能。輸入電容會(huì)看到較大的非連續(xù)紋波電流。此電容需要能承受高紋波電流（低 ESR）并具有低電感 (ESL)，如果輸入電容 ESR 過高，電容內(nèi)將產(chǎn)生 I*R 功耗。這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器效率，并且有可能使電容過熱。輸入電流的非連續(xù)性質(zhì)還會(huì)與 ESL 相互作用，引起輸入上的電壓尖峰。這會(huì)給系統(tǒng)帶來干擾噪聲。降壓轉(zhuǎn)換器中的輸出電容會(huì)看到連續(xù)的紋波電流，這種電流一般很低。為實(shí)現(xiàn)最佳的效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，ESR 應(yīng)保持低值。

下圖展示了升壓轉(zhuǎn)換器中的去耦電容功能。輸入電容會(huì)看到連續(xù)的紋波電流。應(yīng)選擇低 ESR 電容，使輸入上的電壓紋波最小。輸出電容會(huì)看到較大的非連續(xù)紋波電流。這里需要使用低 ESR 和低 ESL 的電容。

在降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入和輸出電容均會(huì)看到非連續(xù)紋波電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要使用低 ESR 和低 ESL 的電容。

多個(gè)電容并聯(lián)以獲得較大的電容也許是明智的。并聯(lián)情況下電容會(huì)增加，而 ESR 和ESL 則會(huì)降低。讓兩個(gè)或更多電容并聯(lián)，便可獲得較大的電容和較低的電感與電阻。很多時(shí)候，只有利用這種辦法才能獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶瓷電容是三種最常見的類型。像大多數(shù)設(shè)計(jì)決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權(quán)衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點(diǎn)是 ESR 較高，可達(dá)數(shù)歐姆。務(wù)必使用開關(guān)型電容，因?yàn)槠?ESR 和 ESL 比通用型要低。鋁電解電容還依賴于電解質(zhì)，由于電解質(zhì)會(huì)逐漸變干，因此電容壽命較短。鉭電容使用鉭粉末作為電介質(zhì)。與同等鋁電容相比，鉭電容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在 100 m? 范圍內(nèi)，比鋁電容低。鉭電容不使用液態(tài)電解質(zhì)，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個(gè)原因，鉭電容在高可靠性應(yīng)用中很受歡迎。鉭電容對(duì)浪涌電流敏感，有時(shí)需要串聯(lián)電阻來限制浪涌電流。務(wù)必不要超過制造商建議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時(shí)，可能會(huì)燒毀并冒煙。多層陶瓷電容 (MLCC) 提供極低的 ESR (<10 m?) 和 ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。

MLCC 的最大容值可達(dá) 100 F，不過當(dāng)容值大于 10 F 時(shí)，物理尺寸和成本會(huì)增加。請(qǐng)注意 MLCC 的電壓額定值及其結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)。實(shí)際容值會(huì)隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數(shù)。依據(jù)所選的電介質(zhì)，這種變化可能非常大。下圖顯示了三種不同電容的容值與施加電壓的關(guān)系。X7R 型電介質(zhì)性能最佳，大力推薦使用。由于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)，陶瓷電容對(duì) PCB 振動(dòng)敏感，所產(chǎn)生的電壓噪聲可能會(huì)擾亂 PLL 等敏感模擬電路。在此類敏感應(yīng)用中，不受振動(dòng)影響的鉭電容可能是更好的選擇。

審核編輯：湯梓紅