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为什么需要那么多种电容

2020-04-30 15:18:33 硬件十万个为什么 阅读:
我们电路设计越来越多的是以MCU、CPU为核心的数字电路设计,周边的时钟、电源电路。所以我们以这三种电容为主。

我们都知道电容是电路中使用量最多的器件,我们经常接触的电容是陶瓷电容、铝电解电容、钽电解电容。ucLednc

我们电路设计越来越多的是以MCU、CPU为核心的数字电路设计,周边的时钟、电源电路。所以我们以这三种电容为主。ucLednc

因为数字电路,所以有大量的数字电路输出的“0”“1”翻转导致,需要大量的去耦电容。ucLednc

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图中开关Q的不同位置代表了输出的“0”“1”两种状态。ucLednc

假定由于电路状态装换,开关Q接通RL低电平,负载电容对地放电,随着负载电容电压下降,它积累的电荷流向地,在接地回路上形成一个大的电流浪涌。ucLednc

随着放电电流建立然后衰减,这一电流变化作用于接地引脚的电感LG,这样在芯片外的电路板“地”与芯片内的地之间,会形成一定的电压差,如图中VG。同样的对于电源端,每次信号翻转,都会引入了电压差。ucLednc

当N多的翻转出现的时候,我们需要运用去耦电容,去耦电容可以防止这种噪声向外传播,所以我们放一些电容靠近器件的电源管脚。ucLednc

由于去耦电容一般对电容器的精度没有很严格要求,选用时可根据设计值,选用相近容量或容量接近的电容器就可以。ucLednc

实际的电容存在寄生电感与等效串联电阻。由于单个电容的ESR、ESL相近,他们的阻抗特性也是相近的,单个电容与多个特性相同的电容并联阻抗特性图ucLednc

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容值不同的电容ucLednc

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所以在这个场景中,我们需要一种:ucLednc

  1. 1nF~10uF容量,精度要求不高;
  2. 由于用量比较大(电源管脚比较多),成本比较低、相同容量情况下体积比较小的电容;
  3. ESR、ESL比较小的电容。(需要去耦的信号频率比较高,并保证去耦效果)

多层片陶瓷电容(MLCC)就显得非常合适。ucLednc

电源系统的去耦设计的一个原则,就是在需要考虑的频率范围内,使整个电源分配系统的阻抗最低。ucLednc

由于芯片特别是CPU、FPGA、DSP等,多IO、大功率芯片作为电路的核心,这些芯片的电源管脚也比较多,所以去耦电容的用量就比较大。ucLednc

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一般我们芯片由于速率越来越高,所以接口电平也就越来越低,导致我们的电路板上会有多种电压值的电源,早期数字电路电源以5V、3.3V为主,现在数字电路电源原来越丰富:2.5V、1.8V、1.5V、1.1V、1.0V、0.9V,可调可控电源等等。所以这些开关电源的输入电容和输出电容也需要大量使用。ucLednc

由于铝电解电容容量容易做大,耐压比较做高,所以电源的输入电容主要会选择铝电解电容。输出电容会选择铝电解电容和钽电容。铝电解电容的电容量:0.47--10000u,额定电压:6.3--450V。铝电解电容的主要特点:体积小,容量大,损耗大,漏电大,耐压比较高。ucLednc

早期,开关电源的输入电容和输出电容会使用铝电解电容,在对期望ESR比较小的场景我们会选择钽电解电容。ucLednc

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但是铝电解电容有个致命的弱点,就是电解液会干涸,寿命比较短,另外ESR比较大。钽电解电容由于其失效模式比较恐怖,会爆炸,可能引起燃烧。ucLednc

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目前,随着MLCC的工艺优惠持续发展,我们会在一些小电流低电压的开关电源的输入、输出端采用MLCC代替铝电解电容。ucLednc

一般来说,开关电源的输出端电容一般在100uF以上,陶瓷电容虽然标称值可以达到100uF,但是由于其温度稳定性差、电容值会随着直流电压的增大而增大。最主要的原因是输出端电容的容值很可能需要数百甚至数千uF,如果使用陶瓷电容,往往由于其单体容量有限,达不到滤波的效果。ucLednc

目前大量的固态钽电容、固态铝电容逐步替代铝电解电容和钽电解电容。ucLednc

相比铝电解电容寿命长、更可靠;相对MnO2钽电解电容来说,没有恐怖的失效模式,且更不容易失效。相对MLCC来说直流偏压特性更稳定、温度特性更稳定。ucLednc

最大的问题是:贵。目前一些利润比较高的行业已经逐步大量使用 固态铝电解电容。由于钽元素相对比较稀缺,有可能全球耗尽。所以固体铝电容越来越多的被使用。ucLednc

由于耐压和容量还需要进一步提升,所以还有一个发展过程。但是,电容一样会像CPU一样遵循类似摩尔定律的规律快速发展。ucLednc

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但是固体电容也有弱点。固定电容实际使用的就是高分子聚合物(Polymer)。Polymer钽电容比MnO2钽电容在热稳定性上稍微差一些。MnO2钽电容不存在老化寿命的问题,而Polymer电容的退化机理主要是由于高分子有机体在高温下会分解导致导电率下降,可以算半永久失效。Polymer钽电容在潮敏性能上不如MnO2钽电容,主要原因是阴极材料Polymer聚合物在特定温度下会与水和氧起作用而分解,导致容量、ESR等特性下降甚至失效。因此会特别要求回流焊温度条件下,不能有潮气侵入。ucLednc

以上说的本质都是电源滤波。ucLednc

对于温度稳定性、精度其实都没有特别严格的要求。所以也是大家最常用的几种电容。ucLednc

MLCC并不只是应用于去耦电容或者电源滤波。振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容,这时普通的X7R、X5R普通特性的陶瓷电容已经不能满足要求,我们需要温度特性更好的陶瓷电容。ucLednc

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带温度补偿的C0G电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。ucLednc

但是模拟电路除了电源滤波、储能、去耦等场景之外,还有一个比较重要的应用就是信号滤波。交流耦合的本质就是一种信号滤波。ucLednc

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RC、LC滤波的时候,C值的精度和稳定度就显得尤为重要。由上图可以知道电容的容值会影响幅频特性、相频特性。ucLednc

在一些多通道信号的场景中,需要保证各个通道的信号相位一致性和稳定度,例如相控阵雷达、声呐系统等,我们就需要精确的控制电容的容值。ucLednc

在时钟或者射频信号中,我们还需要振荡器、谐振器等等,不但需要电容值稳定精准,还需要更好的Q值。ucLednc

这时,无极性的钽电容、聚苯乙烯电容、高稳定度的陶瓷电容、云母电容就有了其特有的需求场景。ucLednc

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我们在设计一次电源(ACDC)时,还需要使用安规电容。需求是:内阻小、耐压高。  安规电容器是行业对抑制电源电磁干扰用固定电容器的俗称,因为该类电容符合安全规范、且通过安全规范测试认证,同时其本体印刷有多个国家的安全认证LOGO标志,故而称为安规电容器。此类电容在实际应用中的“安规”表现在:即使电容器失效后,也不会导致 电击,不危及人身安全;此外,它采用阻燃材料制造,顶多会爆炸(只是炸裂,没有火产生,只产生气体),然后就是开路,不会导致火灾发生。聚脂薄膜类电容就符合这种场景的需求。ucLednc

通常,X电容多选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。这种类型的电容体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。普通电容纹波电流的指标都很低,动态内阻较高。用普通电容代替X电容,除了电容耐压无法满足标准之外,纹波电流指标也难以符合要求。ucLednc

我们在电路设计过程中,由于不同的应用场景,需要不同容值、耐压、精度、温度稳定度、电压稳定度、Q值、ESR、ESL等参数。而一种工艺和材料的电容很难满足电路设计的各种场景。所以不断衍生出各种电容器。只不过数字电路的发展迅猛、而模拟电路相对逐步萎缩,所以很多电容种类已经不为硬件工程师所知。ucLednc

(本文授权自公众号硬件十万个为什么,责编:Demi Xia)ucLednc

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