為什么99%的硬件工程師沒有用好LDO？

相信打開的硬件工程師們對(duì)LDO都非常的熟悉，沒錯(cuò)，LDO就是一種線性穩(wěn)壓器，我們?cè)趲缀跞魏我粋€(gè)電路設(shè)計(jì)中多會(huì)使用到這個(gè)器件，但很少人能夠用好這個(gè)東西。

首先我們拿出TI出品的TLV1117的數(shù)據(jù)規(guī)格書，看一下規(guī)格書中對(duì)于線性穩(wěn)壓器輸出的設(shè)計(jì)要求。

可以看到對(duì)于TLV1117來說，輸出電容是有明確要求需要使用鉭電容或者鋁電解電容，并且特別說明了ESR需要在0.2Ω到10Ω之間。

相信很多硬件工程師都因?yàn)槟壳癕LCC電容的大行其道，直接在輸出電容部分放了0.1-10uF的陶瓷電容，并且并了多個(gè)。

還有些公司特別的要求，禁止選用鉭電容，即使使用也需要降額設(shè)計(jì)，華為更是將鉭電容選型規(guī)定到了電壓余量留出3倍。

為什么LDO的數(shù)據(jù)手冊(cè)要規(guī)定使用鉭電容？

為什么我們這樣設(shè)計(jì)了，大部分也沒出問題？

我們來分析一下：

為什么數(shù)據(jù)手冊(cè)中往往推薦使用鉭電容。

原因在于，早些年的LDO芯片設(shè)計(jì)中，芯片設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行電源環(huán)路仿真的時(shí)候需要對(duì)環(huán)路輸出的相位做補(bǔ)償，這就需要在輸出端并連接入一定的阻值（感興趣的同學(xué)可以自行谷歌），于是工程師利用了鉭電容本身的ESR來保證電源環(huán)路的穩(wěn)定性。

也就是說，如果你還在使用老的LDO產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，又不想用鉭電容，那么MLCC上面串個(gè)電阻也是可以的。

其實(shí)現(xiàn)在很多LDO的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再要求輸出電容必須采用鉭電容了。

原因也很簡單，早期LDO設(shè)計(jì)的時(shí)候是因?yàn)殂g電容被廣泛使用，因此工程師在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候直接使用了鉭電容進(jìn)行測(cè)試。

而現(xiàn)在我們廣泛使用的是MLCC，因此芯片設(shè)計(jì)師在環(huán)路設(shè)計(jì)上就考慮的MLCC，也就不會(huì)存在使用了陶瓷電容導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定的情況發(fā)生了。

但是也要注意，并不是所有的陶瓷電容都可以往上懟的，輸入和輸出電容必須滿足預(yù)期工作溫度和工作電壓下的最小電容要求。

陶瓷電容可采用各種各樣的電介質(zhì)制造，溫度和電壓不同，其特性也不相同。

對(duì)于5V應(yīng)用，建議采用電壓額定值為6.3V至10V的X5R或X7R電介質(zhì)。Y5V和Z5U電介質(zhì)的溫度和直流偏置特性不佳，因此不適合與LDO一起使用。

為什么我們老的LDO設(shè)計(jì)使用了陶瓷電容器也沒有發(fā)生故障呢？

這個(gè)大部分原因是你的設(shè)計(jì)對(duì)LDO的輸出穩(wěn)定性要求不高，我們可以看一下對(duì)于LDO的一組測(cè)試：

我們使用相同容值的陶瓷電容和鉭電容對(duì)LDO做測(cè)試，可以看到，即便是TI的TLV1117，它的輸出波動(dòng)也有兩百多毫伏了。

而山寨的ANS1117更是達(dá)到了五百毫伏電壓最低點(diǎn)，連2.8V都不到，這很有可能會(huì)導(dǎo)致電路的不穩(wěn)定。

所以在電源電路的設(shè)計(jì)中，對(duì)于電容的選擇尤為重要，接下來可以看一下不同電容技術(shù)的特性。

電容具有各種尺寸、額定電壓和其它特性，能夠滿足不同應(yīng)用的具體要求。

常用電介質(zhì)材料包括油、紙、玻璃、空氣、云母、聚合物薄膜和金屬氧化物。每種電介質(zhì)均具有特定屬性，決定其是否適合特定的應(yīng)用。

在電壓調(diào)節(jié)器中，以下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(tài)鉭電解電容和鋁電解電容。

多層陶瓷電容

多層陶瓷電容(MLCC)不僅尺寸小，而且將低ESR、低ESL和寬工作溫度范圍特性融于一體，可以說是旁路電容的優(yōu)選。

不過，這類電容也并非完美無缺。根據(jù)電介質(zhì)材料不同，電容值會(huì)隨著溫度、直流偏置和交流信號(hào)電壓動(dòng)態(tài)變化。

另外，電介質(zhì)材料的壓電特性可將振動(dòng)或機(jī)械沖擊轉(zhuǎn)換為交流噪聲電壓。大多數(shù)情況下，此類噪聲往往以微伏計(jì)，但在極端情況下，機(jī)械力可以產(chǎn)生毫伏級(jí)噪聲。

盡管陶瓷電容存在上述缺陷，但由于尺寸小且成本低，因此幾乎在每種電子器件中都會(huì)用到。

不過，當(dāng)調(diào)節(jié)器用在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)評(píng)估這些副作用。

熟悉一下我們常用的貼片電容 ?MLCC簡介

固態(tài)鉭電解電容

與陶瓷電容相比，固態(tài)鉭電容對(duì)溫度、偏置和振動(dòng)效應(yīng)的敏感度相對(duì)較低。

新興的一種固態(tài)鉭電容采用導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)，而非常見的二氧化錳電解質(zhì)，其浪涌電流能力有所提高，而且無需電流限制電阻，此項(xiàng)技術(shù)的另一好處是ESR更低。

固態(tài)鉭電容的電容值可以相對(duì)于溫度和偏置電壓保持穩(wěn)定，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)僅包括容差、工作溫度范圍內(nèi)的降壓情況以及最大ESR。

導(dǎo)電聚合物鉭電容具有低ESR特性，成本高于陶瓷電容而且體積也略大，但對(duì)于不能忍受壓電效應(yīng)噪聲的應(yīng)用而言可能是唯一選擇。

不過，鉭電容的漏電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等值陶瓷電容，因此不適合一些低電流應(yīng)用。

固態(tài)聚合物電解質(zhì)技術(shù)的缺點(diǎn)是此類鉭電容對(duì)無鉛焊接過程中的高溫更為敏感，因此制造商通常會(huì)規(guī)定電容在焊接時(shí)不得超過三個(gè)焊接周期。組裝過程中若忽視此項(xiàng)要求，則可能導(dǎo)致長期穩(wěn)定性問題。

鋁電解電容

傳統(tǒng)的鋁電解電容往往體積較大、ESR和ESL較高、漏電流相對(duì)較高且使用壽命有限（以數(shù)千小時(shí)計(jì)）。

而OS-CON電容則采用有機(jī)半導(dǎo)體電解質(zhì)和鋁箔陰極，以實(shí)現(xiàn)較低的ESR。

這類電容雖然與固態(tài)聚合物鉭電容相關(guān)，但實(shí)際上要比鉭電容早10年或更久。由于不存在液態(tài)電解質(zhì)逐漸變干的問題，OS-CON型電容的使用壽命要比傳統(tǒng)的鋁電解電容長。大多數(shù)電容的工作溫度上限為105°C，但現(xiàn)在OS-CON型電容可以在最高125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

雖然OS-CON型電容的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁電解電容，但是與陶瓷電容或固態(tài)聚合物鉭電容相比，往往體積更大且ESR更高。與固態(tài)聚合物鉭電容一樣，這類電容不受壓電效應(yīng)影響，因此適合低噪聲應(yīng)用。

軒哥帶你認(rèn)識(shí)一下鋁電解電容

不同電容技術(shù)參數(shù)對(duì)比

以上內(nèi)容希望能對(duì)每個(gè)工程師對(duì)于LDO設(shè)計(jì)有所幫助，也能讓各位對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展更加了解和熱愛。