【導讀】電容因結構簡潔、工藝不復雜，常被工程技術人員忽視其價值，在降噪時更被當作“通用方案”，僅關注電容值與額定電壓。但電容存在寄生電阻、溫漂等非理想特性，旁路等容值敏感應用中選型不當，會導致降噪失效、電路不穩等問題。本文針對此誤區，剖析三類主流電容特性，并結合LDO選型實例，詳解電容選型邏輯與參數標準，為電路設計提供指導。
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、云母、各種聚合物薄膜和金屬氧化物。每一種電解質都具有一系列特定屬性，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、工作溫度范圍寬的優點，通常是作為旁路電容的首選。
它并非無可挑剔。根據所用的電介質材料，電容可能隨溫度變化和交直流偏置發生大幅偏移。此外，因為在許多陶瓷電容中介質材料具有壓電性，振動或機械沖擊可能會轉化為電容上的交流噪聲電壓。在大部分情況下，此噪聲一般處于微伏范圍內。但在極端情況下，可能會產生毫伏級的噪聲。
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中則為載波振幅調制。在EEG、超聲波和CAT掃描前置放大器等低電平信號鏈應用中，噪聲會導致在這些儀器的輸出中出現雜散噪聲。在所有這些噪聲敏感應用中，必須認真評估多層陶瓷電容。
選擇陶瓷電容時是否考慮溫度和電壓效應非常重要。多層陶瓷電容選型部分談到了根據公差和直流偏置特性來確定某個電容的最小電容值的過程。
雖然陶瓷電容仍有缺點，但對于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）。只有雙層或超級電容才具有更高的CV乘積。
在1 μF范圍內，陶瓷電容仍然更小且ESR低于鉭電容，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。
市面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)鉭電容可具有低于1 Ω的ESR，但一般體積較大。
最近市場上出現了一種新鉭電容，它使用導電聚合物電解質代替普通的二氧化錳固態電解質。過去，固態鉭電容浪涌電流能力有限，需要一個串聯電阻將浪涌電流限制在安全值內。導電聚合物鉭電容不會受到浪涌電流限制。這項技術的另一好處是電容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于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、工作溫度范圍內的降壓情況以及最大ESR。
固態聚合物電解質技術的一大缺點是，這類鉭電容在無鉛焊接工藝中更容易受高溫影響。一般情況下，制造商會詳細說明電容不得暴露于三個以上的焊接周期。如果在裝配工藝中忽視這一要求，就會導致長期可靠性問題。
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干的問題，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。
目前市面的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，但只要考慮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控制環路的穩定性。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控制環路的帶寬有限，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控制回路就能快速響應并主動降低負載瞬變。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于1 μF，應選用更高的輸入電容。
輸入和輸出電容特性
只要符合最小電容和最大ESR要求，LDO可以采用任何質量良好的電容。陶瓷電容可采用各種各樣的電介質制造，溫度和所施加的電壓不同時其特性也不相同。電容必須具有足以在工作溫度范圍和直流偏置條件下確保最小電容的電介質。建議在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電容的電容與電壓偏置特性關系圖。電容的電壓穩定性受電容封裝尺寸和電壓額定值影響極大。一般來說，封裝較大或電壓額定值較高的電容具有更好的電壓穩定性。X5R電介質的溫度變化率在?40°C至+85°C溫度范圍內約為±15%，與封裝或電壓額定值沒有函數關系。
圖4.電容與電壓偏置特性的關系
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范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范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。
電容作為電路降噪與穩控的核心元件，其選型絕非簡單的參數匹配，而是需結合應用場景權衡非理想特性的系統工程。多層陶瓷電容雖為旁路首選，但需警惕溫漂與壓電效應風險；固態鉭電容以容值穩定性立足低噪聲領域，新型聚合物產品更突破浪涌限制；鋁電解電容經OS-CON技術升級后性能提升，但仍在體積與ESR上存短板。LDO選型實例則進一步明確，電介質適配、有效容值核算等細節是保障電路穩定的關鍵。
