芯耀
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Part 01、前言
低壓差線性穩(wěn)壓器LDO的性能不僅依賴于內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，還與外部元件的選擇密切相關(guān)，尤其是輸出電容。輸出電容在負(fù)載瞬變響應(yīng)、環(huán)路補(bǔ)償和穩(wěn)定性中起著關(guān)鍵作用，選型不當(dāng)可能導(dǎo)致輸出振蕩或性能下降。接下來我們就詳細(xì)講解一下LDO輸出電容的選型原則、計(jì)算方法及注意事項(xiàng)。
Part 02、輸出電容的作用是什么？
輸出電容在LDO電路中主要承擔(dān)以下功能：
負(fù)載瞬變響應(yīng)：當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，輸出電容提供瞬時(shí)電流，減小輸出電壓的波動(dòng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。
環(huán)路補(bǔ)償與穩(wěn)定性：輸出電容及其寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）通過引入零點(diǎn)，改善環(huán)路相位裕度，避免振蕩。
濾波功能：平滑輸出電壓，抑制高頻噪聲和紋波。
所以選型時(shí)需綜合考慮容值、ESR以及PCB布局，以滿足瞬變需求和穩(wěn)定性要求。
接下來我們就基于負(fù)載瞬變響應(yīng)，環(huán)路補(bǔ)償與穩(wěn)定性，濾波功能詳細(xì)說明一下輸出電容的選型。
Part 03、輸出電容選型
1.瞬變電流需求
負(fù)載瞬變是指負(fù)載電流從低到高或從高到低的快速變化，輸出電容需要快速響應(yīng)以維持輸出電壓穩(wěn)定。容值大小與最大瞬變電流Imax和瞬變持續(xù)時(shí)間△t 直接相關(guān)。
假設(shè)LDO 的控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間為△t，在此期間輸出電容需提供全部瞬變電流。輸出電壓變化△Vout 可通過電容充放電公式計(jì)算：
因此，輸出電容Cout的最小值可由下式確定：
Imax：最大瞬變電流（單位：A)
△t：控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間 (單位：s)
△Vout, max：允許的最大輸出電壓變化（單位：V)
舉個(gè)例子，假設(shè)LDO的負(fù)載瞬變電流Imax=100mA，控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間 △t=1μS，允許的電壓變化△Vout,max = 50 mV。 則:
因此，至少需要2μF的輸出電容。實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常選擇稍大的值，如4.7 μF或10μF以留有裕量，畢竟陶瓷電容的直流偏置特性你可不能不考慮！
2.LDO環(huán)路極點(diǎn)分析
LDO內(nèi)部的誤差放大器工作在負(fù)反饋模式下，外部元件輸出電容和負(fù)載電阻會(huì)引入極點(diǎn)和零點(diǎn)，影響環(huán)路穩(wěn)定性。忽略內(nèi)部功率管的高頻極點(diǎn) ，因?yàn)槠漕l率遠(yuǎn)高于其他極點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定性影響小，LDO環(huán)路主要包含以下兩個(gè)極點(diǎn)：
極點(diǎn) P1：由放大器的輸出電阻Ramp和輸出電容Cout 構(gòu)成，頻率為:
極點(diǎn)PL：由負(fù)載電阻RL和輸出電容Cout 構(gòu)成，頻率為
這兩個(gè)極點(diǎn)分別引入90度的相位移，總計(jì)可能導(dǎo)致180度的相位移，使得環(huán)路增益在0dB時(shí)相位裕度不足，引發(fā)振蕩。輸出電容的寄生ESR會(huì)在環(huán)路中引入一個(gè)零點(diǎn)ZESR，其頻率為：
此零點(diǎn)會(huì)補(bǔ)償極點(diǎn)引起的相位延遲，改善相位裕度，避免環(huán)路相位移達(dá)到 180度。因此，ESR的值對(duì)穩(wěn)定性至關(guān)重要。下一篇文章我們講一下輸出電容的ESR怎么選！
輸出電容的PCB布局對(duì)LDO性能也有影響，輸出電容應(yīng)盡可能靠近LDO的輸出引腳，減少寄生電感。寄生電感會(huì)增加高頻阻抗，降低瞬變響應(yīng)能力。PCB走線應(yīng)短而寬，避免引入額外電阻和電感。電容的接地端應(yīng)直接連接到LDO的地引腳，確保低阻抗接地路徑。
LDO輸出電容的選型與計(jì)算需要綜合考慮瞬變響應(yīng)和穩(wěn)定性。容值需根據(jù)最大瞬變電流和允許電壓變化計(jì)算，當(dāng)然通過合理選擇電容類型，如陶瓷或電解電容并聯(lián)，并結(jié)合良好的PCB設(shè)計(jì)，LDO 可以在各種負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，讓你的電源穩(wěn)了。
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