寄生電容相關解釋

二極管以其單向?qū)щ娞匦?，在整流開關方面發(fā)揮著重要的作用；其在反向擊穿狀態(tài)下，在一定電流范圍下起到穩(wěn)壓效果。令人意外的是，利用二極管的反偏壓結電容，能夠有效地減少信號線上的接入寄生電容，這里將近一步討論這個運用。

上篇我們的工程師分享了關于“”的知識，有粉絲閱讀后要求了解更多有關電子類器件的知識，今天我們就來聊一聊“如何妙用二極管減少寄生電容”。

二極管參數(shù)—單向?qū)щ娦?/p>

提到二極管，大家最熟悉的就是二極管的單向?qū)щ娦?，反映伏安曲線上如圖1所示。當正向偏壓U=0.5V（硅管）時，二極管開始導通，電流越大電壓越大，具有很低阻抗；當加反向偏壓時二極管不導通，在一定范圍內(nèi)有很小的漏電流，具有很大阻抗。其這個單向?qū)щ娦?，也起到了開關的作用，所以在整流和開關方面都有廣泛的應用。

圖1 二極管伏安特性曲線

二極管有一個參數(shù)，沒有單向?qū)щ娦阅敲磸V為人知，但是對電路設計的影響也至關重要，那就是“結電容”。

二極管參數(shù)—結電容

在一些高速場合，需要選結電容比較小的二極管；在某些場合，則需要利用這個結電容來達到特定的目的，比如壓控振蕩器（VCO），正是利用了變?nèi)荻O管在不同的反向偏壓下有不同的電容值，從而達到電壓控制頻率的目的。

圖2 壓控振蕩器應用電路-實例

在高速電路上，由于頻率越來越高，寄生電容的影響已經(jīng)不能忽視了。在系統(tǒng)中，這些不期望的電容來自方方面面，比如PCB的材質(zhì)、厚度、板層結構、走線平行度，這些都是影響PCB板的寄生電容，還有元器件本身的寄生電容，最可惡的是這些東西還受環(huán)境溫度的影響。

圖3 寄生電容引起“振鈴”

難道就沒辦法對付它們了嗎？通過工程師們的不懈努力，發(fā)現(xiàn)這些影響是可以通過合理的電路設計來減少的。下面我們將討論下怎樣“利用二極管的電容特性來減小高速信號上的寄生電容”。

二極管妙用—減少寄生電容

首先，我們熟悉下二極管的電容特性：圖4所示的是IN4448HWS二極管的電容特性。零反向偏壓下，電容是3pF，隨著反向偏壓越來越大，結電容越來越小。

圖4 電容特性

在高速信號線上，通常會附加一些功能，這些功能通常會帶來不利的影響，如會產(chǎn)生很大的寄生電容，這個電容視具體的電路模塊而定。如果忽略這個電容，可能會影響這個信號的頻率。最不幸的是，就算您注意到了這個電容，由于附加的功能模塊產(chǎn)生的電容太大，似乎也無能為力。通用附件功能接入法如圖5所示：

圖5 通用附件功能接入法

為了減少信號線上的寄生電容，可以在附件功能的接入點處增加一個二極管，這個二極管必須節(jié)電容比較小的，通常選用小信號開關管，如果考慮到大電流問題，則需要慎重考慮選型問題。

圖6 正向接入法

正向接入方法如圖6所示，二極管接在信號線與附件功能模塊之間，這表示附加功能模塊使能時是高電平輸出的。另外，為了更大程度地減小寄生電容，通常使二極管工作在反偏壓狀態(tài)下，即UL 接至低電平。在附加功能模塊不工作，二極管處于最大反偏壓下，具有更小的節(jié)電容，信號線能夠工作在高頻狀態(tài)下，系統(tǒng)獲得更高的性能。

圖7 反向接入法

反向接入方法如圖7所示，與正向接入不同的是，二極管的正極接到信號線上，UH接至高電平。

不管正向還是反向接入法，其等效電路都如圖8所示。我們假設二極管的節(jié)電容為3pF，附件功能模塊寄生總電容1uF。如果電阻足夠大，那么可以忽略，此時就是兩個電容串聯(lián)，和電阻并聯(lián)類似，CT=C1*C2/(C1+C2)≈C1(C2較大)。大電容就算變化很大，串聯(lián)總電容幾乎等于小電容，即3pF，有效減小接入電容。

圖8 等效電路

總之，以上運用是建立在二極管單向?qū)щ娦院洼^小節(jié)電容的基礎上。正向接入和反向接入只能是單方向的，不能解決所有情況，也就是說只能針對特殊的功能模塊。如果附加功能模塊需要雙向的，把圖6和圖7結合或許是不錯的選擇。

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Buck 變換器的功率器件設計公式

電源紋波和瞬態(tài)規(guī)格會決定所需電容器的大小，同時也會限制電容器的寄生組成設置。圖1顯示一個電容器的基本寄生組成，其由等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）組成，并且以曲線圖呈現(xiàn)出三種電容器（陶瓷電容器、鋁質(zhì)電解電容器和鋁聚合物電容器）的阻抗與頻率之間的關系。表1顯示了用于生成這些曲線的各個值。這些值為低壓（1V~2.5V）、中等強度電流（5A）同步降壓電源的典型值。

表1：三種電容器比較情況，各有優(yōu)點。

低頻下，所有三種電容器均未表現(xiàn)出寄生分量，因為阻抗明顯只與電容相關。但是，鋁電解電容器阻抗停止減小，并在相對低頻時開始表現(xiàn)出電阻特性。這種電阻特性不斷增加，直到達到某個相對高頻為止（電容器出現(xiàn)電感）。鋁聚合物電容器為與理想狀況不符的另一種電容器。有趣的是，它擁有低ESR,并且ESL很明顯。陶瓷電容器也有低ESR,但由于其外殼尺寸更小，它的ESL小于鋁聚合物和鋁電解電容器。

圖1：寄生對陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器阻抗的改變不同

圖2顯示運作在500kHz下的連續(xù)同步調(diào)節(jié)器模擬的電源輸出電容器波形。它使用圖1所示三種電容器的主要阻抗：陶瓷電容；鋁ESR;鋁聚合物ESL.

紅色線條為鋁電解電容器，其由ESR主導。因此，紋波電壓與電感紋波電流直接相關。藍色線條代表陶瓷電容器的紋波電壓，其擁有小ESL和ESR.這種情況的紋波電壓為輸出電感紋波電流的組成部分。由于紋波電流為線性，因此這導致一系列時間平方部分，并且外形看似正弦曲線。

最后，綠色線條代表紋波電壓，其電容器阻抗由其ESL主導，例如：鋁聚合物電容器等。在這種情況下，輸出濾波器電感和ESL形成一個分壓器。這些波形的相對相位與我們預計的一樣。ESL主導時，紋波電壓引導輸出濾波器電感電流。ESR主導時，紋波與電流同相，而電容主導時，其延遲。現(xiàn)實情況下，輸出紋波電壓并非僅包含來自這些元件中之一的電壓。相反，它是所有三個元件電壓之和。因此，在紋波電壓波形中都能看到其某些部分。

圖2：電容器及其寄生要素在連續(xù)同步降壓調(diào)節(jié)器中形成不同的紋波電壓

圖3顯示了一個深度連續(xù)反激或者降壓調(diào)節(jié)器的波形，其輸出電容器電流可以為正和負，而具體狀態(tài)會不斷快速變化。紅色線條清楚表明了這種情況，其電壓由這種電流乘以ESR得出，結果則為一種方波。電容器元件的電壓為方波的組成部分。它導致線性充電和放電，如藍色三角波形所示。最后，僅當電流在過渡期間變化時，電容器ESL的電壓才明顯。這種電壓會非常高，取決于輸出電流升時間。請注意，在這種情況下，綠色線條需除以10（假設25 nS電流過渡）。這些大電感尖峰就是在反激或降壓電源中經(jīng)常出現(xiàn)雙級濾波器的眾多原因之一。

圖3:波形隨連續(xù)反激或者降壓輸出電流而變化

總之，輸出電容器的阻抗有助于提高紋波和瞬態(tài)性能。隨著電源頻率升高，寄生問題的影響更大、更不應忽視。在20kHz附近，鋁電解電容器的ESR大到足以主導電容阻抗。在100kHz時，一些鋁聚合物電容表現(xiàn)出電感。電源進入兆赫茲開關頻率時，請注意所有三種電容器的ESL。

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