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為什么需要那么多種電容

日期:2020/5/6 10:03:44
摘要:我們電路設計越來越多的是以MCU、CPU為核心的數字電路設計,周邊的時鐘、電源電路。所以我們以這三種電容為主。
為什么需要那么多種電容

我們都知道電容是電路中使用量最多的器件,我們經常接觸的電容是陶瓷電容、鋁電解電容、鉭電解電容。

我們電路設計越來越多的是以MCU、CPU為核心的數字電路設計,周邊的時鐘、電源電路。所以我們以這三種電容為主。

因為數字電路,所以有大量的數字電路輸出的“0”“1”翻轉導致,需要大量的去耦電容。

圖中開關Q的不同位置代表了輸出的“0”“1”兩種狀態。

假定由于電路狀態裝換,開關Q接通RL低電平,負載電容對地放電,隨著負載電容電壓下降,它積累的電荷流向地,在接地回路上形成一個大的電流浪涌。

隨著放電電流建立然后衰減,這一電流變化作用于接地引腳的電感LG,這樣在芯片外的電路板“地”與芯片內的地之間,會形成一定的電壓差,如圖中VG。同樣的對于電源端,每次信號翻轉,都會引入了電壓差。

當N多的翻轉出現的時候,我們需要運用去耦電容,去耦電容可以防止這種噪聲向外傳播,所以我們放一些電容靠近器件的電源管腳。

由于去耦電容一般對電容器的精度沒有很嚴格要求,選用時可根據設計值,選用相近容量或容量接近的電容器就可以。

實際的電容存在寄生電感與等效串聯電阻。由于單個電容的ESR、ESL相近,他們的阻抗特性也是相近的,單個電容與多個特性相同的電容并聯阻抗特性圖

容值不同的電容

所以在這個場景中,我們需要一種:

  1. 1nF~10uF容量,精度要求不高;
  2. 由于用量比較大(電源管腳比較多),成本比較低、相同容量情況下體積比較小的電容;
  3. ESR、ESL比較小的電容。(需要去耦的信號頻率比較高,并保證去耦效果)

多層片陶瓷電容(MLCC)就顯得非常合適。

電源系統的去耦設計的一個原則,就是在需要考慮的頻率范圍內,使整個電源分配系統的阻抗最低。

由于芯片特別是CPU、FPGA、DSP等,多IO、大功率芯片作為電路的核心,這些芯片的電源管腳也比較多,所以去耦電容的用量就比較大。

一般我們芯片由于速率越來越高,所以接口電平也就越來越低,導致我們的電路板上會有多種電壓值的電源,早期數字電路電源以5V、3.3V為主,現在數字電路電源原來越豐富:2.5V、1.8V、1.5V、1.1V、1.0V、0.9V,可調可控電源等等。所以這些開關電源的輸入電容和輸出電容也需要大量使用。

由于鋁電解電容容量容易做大,耐壓比較做高,所以電源的輸入電容主要會選擇鋁電解電容。輸出電容會選擇鋁電解電容和鉭電容。鋁電解電容的電容量:0.47--10000u,額定電壓:6.3--450V。鋁電解電容的主要特點:體積小,容量大,損耗大,漏電大,耐壓比較高。

早期,開關電源的輸入電容和輸出電容會使用鋁電解電容,在對期望ESR比較小的場景我們會選擇鉭電解電容。

但是鋁電解電容有個致命的弱點,就是電解液會干涸,壽命比較短,另外ESR比較大。鉭電解電容由于其失效模式比較恐怖,會爆炸,可能引起燃燒。

目前,隨著MLCC的工藝優惠持續發展,我們會在一些小電流低電壓的開關電源的輸入、輸出端采用MLCC代替鋁電解電容。

一般來說,開關電源的輸出端電容一般在100uF以上,陶瓷電容雖然標稱值可以達到100uF,但是由于其溫度穩定性差、電容值會隨著直流電壓的增大而增大。最主要的原因是輸出端電容的容值很可能需要數百甚至數千uF,如果使用陶瓷電容,往往由于其單體容量有限,達不到濾波的效果。

目前大量的固態鉭電容、固態鋁電容逐步替代鋁電解電容和鉭電解電容。

相比鋁電解電容壽命長、更可靠;相對MnO2鉭電解電容來說,沒有恐怖的失效模式,且更不容易失效。相對MLCC來說直流偏壓特性更穩定、溫度特性更穩定。

最大的問題是:貴。目前一些利潤比較高的行業已經逐步大量使用 固態鋁電解電容。由于鉭元素相對比較稀缺,有可能全球耗盡。所以固體鋁電容越來越多的被使用。

由于耐壓和容量還需要進一步提升,所以還有一個發展過程。但是,電容一樣會像CPU一樣遵循類似摩爾定律的規律快速發展。

但是固體電容也有弱點。固定電容實際使用的就是高分子聚合物(Polymer)。Polymer鉭電容比MnO2鉭電容在熱穩定性上稍微差一些。MnO2鉭電容不存在老化壽命的問題,而Polymer電容的退化機理主要是由于高分子有機體在高溫下會分解導致導電率下降,可以算半永久失效。Polymer鉭電容在潮敏性能上不如MnO2鉭電容,主要原因是陰極材料Polymer聚合物在特定溫度下會與水和氧起作用而分解,導致容量、ESR等特性下降甚至失效。因此會特別要求回流焊溫度條件下,不能有潮氣侵入。

以上說的本質都是電源濾波。

對于溫度穩定性、精度其實都沒有特別嚴格的要求。所以也是大家最常用的幾種電容。

MLCC并不只是應用于去耦電容或者電源濾波。振蕩器、諧振器的槽路電容,以及高頻電路中的耦合電容,這時普通的X7R、X5R普通特性的陶瓷電容已經不能滿足要求,我們需要溫度特性更好的陶瓷電容。

帶溫度補償的C0G電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容,以及高頻電路中的耦合電容。

但是模擬電路除了電源濾波、儲能、去耦等場景之外,還有一個比較重要的應用就是信號濾波。交流耦合的本質就是一種信號濾波。

RC、LC濾波的時候,C值的精度和穩定度就顯得尤為重要。由上圖可以知道電容的容值會影響幅頻特性、相頻特性。

在一些多通道信號的場景中,需要保證各個通道的信號相位一致性和穩定度,例如相控陣雷達、聲吶系統等,我們就需要精確的控制電容的容值。

在時鐘或者射頻信號中,我們還需要振蕩器、諧振器等等,不但需要電容值穩定精準,還需要更好的Q值。

這時,無極性的鉭電容、聚苯乙烯電容、高穩定度的陶瓷電容、云母電容就有了其特有的需求場景。

我們在設計一次電源(ACDC)時,還需要使用安規電容。需求是:內阻小、耐壓高。 安規電容器是行業對抑制電源電磁干擾用固定電容器的俗稱,因為該類電容符合安全規范、且通過安全規范測試認證,同時其本體印刷有多個國家的安全認證LOGO標志,故而稱為安規電容器。此類電容在實際應用中的“安規”表現在:即使電容器失效后,也不會導致 電擊,不危及人身安全;此外,它采用阻燃材料制造,頂多會爆炸(只是炸裂,沒有火產生,只產生氣體),然后就是開路,不會導致火災發生。聚脂薄膜類電容就符合這種場景的需求。

通常,X電容多選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內阻相應較小。普通電容紋波電流的指標都很低,動態內阻較高。用普通電容代替X電容,除了電容耐壓無法滿足標準之外,紋波電流指標也難以符合要求。

我們在電路設計過程中,由于不同的應用場景,需要不同容值、耐壓、精度、溫度穩定度、電壓穩定度、Q值、ESR、ESL等參數。而一種工藝和材料的電容很難滿足電路設計的各種場景。所以不斷衍生出各種電容器。只不過數字電路的發展迅猛、而模擬電路相對逐步萎縮,所以很多電容種類已經不為硬件工程師所知。