用钽电容代替铝电容,实现加速度计大容量旁路

电器工程 电容器 旁路电容
2022-01-28 13:24:11

我目前正在进行一项设计,其中包括 ST 的 AIS3624DQ 加速度计。数据表中,它说(第 4 节,第 17 页):

“电源去耦电容(100 nF 陶瓷,10 μF 铝)应尽可能靠近器件的引脚 14(常见设计实践)。”

我可以用钽电容代替 10μF 的铝(由于它的大尺寸)吗?

4个回答

可以用钽代替铝电解,但两者都不是更好的选择。

如今,陶瓷可以轻松覆盖 10 伏特范围内的 10 µF。使用电解或钽都没有意义。如果您使用陶瓷来获得更大的值,您也不需要单独的 100 nF(无论如何该值是 1980 年代)电容器。

想想这里发生了什么以及数据表试图说什么。这些设备因对电源噪声非常敏感而臭名昭著。我实际上已经看到了类似的部分放大从电源到输出的功率纹波。因此,数据表希望您在设备的电源线上放置“大量”电容。这就是 10 µF 的来源。早在编写此数据表或编写此数据表的人停止跟上发展步伐时,对于任何擅长高频的电容器技术,10 µF 都是一个不合理的大要求。因此,他们建议为 10 µF“大”电容使用电解液,然后在其上放置 100 nF 陶瓷。这种陶瓷在高频下的阻抗比电解的低,尽管它的电容要小 100 倍。

即使在过去 15 到 20 年左右的时间里,100 nF 也可能是 1 µF 而不会造成负担。100 nF 的常用值来自古代通孔时代。那是最大尺寸的廉价陶瓷电容器,在数字芯片所需的高频下仍然像电容器一样工作。看看 1970 年代的计算机板,您会看到每个数字 IC 旁边都有一个 100 nF 的磁盘电容器。

不幸的是,使用 100 nF 进行高频旁路本身已成为传奇。然而,今天的 1 µF 多层陶瓷电容器价格便宜,而且实际上比更新世的老式 100 nF 含铅电容器具有更好的特性。查看一系列陶瓷电容的阻抗与频率关系图,您会发现与 100 nF 相比,1 µF 的阻抗几乎无处不在。100 nF 可能在其谐振点附近有一个小幅下降,在该点处它的阻抗低于 1 µF,但这将很小并且不是很相关。

因此,您的问题的答案是使用单个 10 µF 陶瓷。确保您使用的任何东西在您使用的电源电压下实际上仍然是 10 µF 或更高。某些类型的陶瓷会随着施加电压而降低电容。实际上,与数据表推荐的 100 nF 陶瓷和 10 µF 电解相比,今天您可以使用 15 或 20 µF 陶瓷,并且具有更好的特性。

与 Olin Lathrop 的回答相反,陶瓷电容器并不是所有板级旁路问题的解决方案。甚至可能只选择陶瓷电容器会损害设计的性能。

关于某些陶瓷介电配方的一个重要事实是它们表现出压电行为:它们可以将机械能转换为电能或从电能转换为电能。对于加速度计,这种颤音行为可以将 100 赫兹的振动耦合到设备的电源中。这种振动正好在感兴趣的频带内,因为它是加速度计正在测量的,这意味着它不能被数字过滤掉。

陶瓷电容器在施加直流偏压时也具有电容的特性损失。例如,Murata GRM188R61A106KAAL#器件的电容与直流偏置曲线为:

Murata GRM188R61A106KAAL 电容与直流偏置

从交互式图表中可以看出,在典型的 3.3V 工作输入下,该特定电容器仅具有 5.337uF 的有效电容,在低于额定直流偏置一半的情况下损失了几乎 50% 的额定电容。虽然应用的大容量电容不需要特定值,但对于具有最低电容要求的应用来说,这可能是一个“陷阱”。

此外,铝电解电容器和钽电容器的 ESR 可能是有利的。因为它使电容器有损耗,它会抑制振荡并有助于限制瞬态峰值。凌力尔特公司的应用说明描述了仅在热插拔电源输入上使用陶瓷电容器的危险。此外,一些电源具有输出旁路电容 ESR 要求,如TI 应用说明中所述。要使用非常低 ESR 的陶瓷电容器,实际上需要通过在电容器上串联一个 10s 的毫欧电阻来消除它们的低 ESR。

铝电容器似乎是一个大容量旁路设备。

通常比铝器件具有更低的 ESR,但这在这里并不重要,因为陶瓷器件无论如何都会是低 ESR。

因此,使用钽器件代替铝电解液应该没问题。

确保使用额定电压至少为 2Vcc 的设备。

已经有一些很好的答案(只需使用 MLCC),但我要补充一点,对于高频去耦,您应该使用紧密耦合(即,在电源电压和接地层之间没有内核)。使它们的重叠区域尽可能大,并尽可能靠近 IC 电源/接地引脚放置多个过孔。这是获得真正高频去耦的最佳方式。然后将您的 MLCC 电容器放置在尽可能靠近这些通孔的位置。避免使用多个电容值,如果一个还不够,请使用多个相同的电容。并联使用例如 10n、100n、1u 的风险是谐振阻抗峰值。

以上将为您的去耦提供最低的总阻抗。

此外,您应该避免使用用于数字 IC 的铁氧体磁珠,但这当然在上面有所暗示。