KA_IX

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Bulk电容选型(一张画对比各种电容特性)

2021-3-31 15:08:03 显示全部楼层

Bulk电容选型

Bulk电容

Bulk电容的作用非常明确,就是用于在电源供电负载瞬时需要大电流时,可以为电路提供足够的电流,以保证电源供电电压的稳定,相当于Energy Reservoir。所以Bulk电容一般选择容值较大的极性电解电容,一般与regulator的output引脚并行排列。

Bulk电容的储能作用与去耦电容的储能作用很类似,那么两者的区别是什么呢?两者在这个功能上却是没有本质的区别,但是Bulk电容覆盖的面积更大,往往覆盖的是一片区域,所能储存和提供的能力更多。而去耦电容可以说是用于本地的,每个芯片配有自己的去耦电容。去耦电容相比与bulk电容,储能较少,但是反应速度更快,高频信号引脚旁特别需要放置去耦电容,且距离足够的近。这点是Bulk电容无法做到的,因为Bulk电容体积较大。当这些引脚高速变化时,旁边的去耦电容为其提供足够的能量。

容量和耐压

首先对于电容来讲,最重要的是容量和耐压两个参数。这两个参数关系到设计是不是能实现所需要的功能。

从容量上来讲,超级电容一骑绝尘,但在上一篇也说了,超级电容的使用上有诸多特殊的点需要注意,而且耐压过低,在我们电子产品的设计中一般不会作为一种选择。其次就是铝电解电容。在电解电容的领域内,铝电解电容拥有着无敌的耐压范围。所以在很多输入电压要求较高的地方,铝电解电容也是不可替代的。其余的电解电容容量与耐压相差没有数量级上的差距。

陶瓷电容和薄膜电容作为无极性电容,耐压在所有的电容中可以做到最高,比如在很多外部接口的静电防护中,一般都会用MLCC和薄膜电容来做设计。但这两者容量也比较低,一般会通过大量的并联来提高总的容量。

各种电容的耐压和容量的对比大致如下图所示。

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ESR

ESR作为如此重要的一个参数反复提起,但如果对PI没有了解的话对于ESR很难有感性直接的认识。

在PI的设计中,ESR是除容量之外的一个最重要的因素。第一篇介绍了电容的阻抗曲线,电容谐振点的最低值就由ESR决定。也是ESR决定了电源轨在频域上的阻抗能到多低。

关于电源的PI设计,会有一些基本的理论知识需要掌握,有兴趣的可以往前翻翻,有两篇PDN设计的文章。这里只简单说几条结论。

1、地弹产生的原因是电源轨在频域上的阻抗过高导致的

2、电源ripple是由ΔI和电源轨阻抗引起的

3、电容的ESR决定了电源轨的阻抗大小

关于ESR,也有一些很有趣的东西。ESR表示的是串联等效电阻。参考上上一片电容简介里面的电容模型图,正负电极形成了电容,而从引线到正负电极的等效电阻就是ESR。对于MLCC而言,ESR来源于引线和陶瓷介质。在相同封装下,容量越大,叠层越多,ESR就越低;相同容量,封装越大,陶瓷介质的长度就越长,ESR就越高。

对于电解电容来讲,就稍微复杂一些。电解电容的正极是金属电极,在金属电极上通过化成形成一层氧化层,这层氧化层就是正极,所以正极的电阻来源于金属电极的电阻;电解电容的负极是电解质,电解质与氧化膜之间绝缘的特性形成了电容,所以负极的等效电阻来源于负极的引线和电解质的电导率。

综合来看,MLCC由于其结构和制作工艺的优异性,有所有电容无可比拟的最低的ESR,对于电解电容来讲,其ESR的差异主要决定于其使用的阴极电解质的电导率。在这其中,SP-CAP的ESR最低。

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安全和可靠性


MLCC自然不用说,主要材料是陶瓷,通过烧结形成的电容,可靠性与稳定性遥遥领先。

在电解电容中,液体电解质的铝电解电容出现最早,也是应用最广泛的,其可靠性问题比较大,由于使用了液体的电解质,随着时间的推移,电解质会逐渐挥发,出现劣化故障,这是其他电容很少出现的问题,当电容过热或施加反向电压的时候,电容会爆开,上一篇中已经列了比较详细的故障原因分析。

钽电容有两种,一种是二氧化锰做阴极,一种是高分子聚合物做阴极。二氧化锰做阴极的电容,在二氧化锰遇到空气之后,很容易燃烧,产生明火,所以现在的设计中也会尽量避免使用。而POSCAP采用了高分子聚合物做阴极,稳定性大大增加。而且POSCAP还有自修复功能,简而言之就是当电容发生缺陷,漏电流增大,电容就会发热,当温度高于300°C时,聚合物就会表现出绝缘的特性,从而抑制漏电流的增大。

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SP-CAP融合了POSCAP的优秀特性。从失效模式来讲,SPCAP的故障一般是开路模式,而很少出现短路故障。和POSCAP一样,当短路或电流过大导致电容发热时,聚合物温度升高,在300°C左右开始绝缘化,从而抑制短路电流的流过,保护PCB板,不发生赤热起火。

对于价格的比较,应该在相同的容量条件下进行对比。超级电容容量远超其他的电容,不列入对比。

对于几百uF级别而言,铝电解电容的价格最低,因而在一些对可靠性要求并不严苛的消费级应用中,用量最大。固体电容、POSCAP和SPCAP的价格依次升高,但并没有数量级的差距。而现在MLCC也可以做到两三百uF的级别,其作为电容的各项特性都远远超过电解电容,但MLCC的价格也随着容量的提高而呈现指数型的提高。另外提一句,目前就国产而言,MLCC的容量还做不到10uF。而百uF级的MLCC,价格大约是同等容量的SPCAP的100倍。

最后放一张自己画的各种电容特性的对比。

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阿常

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