寄生電容應(yīng)用

二極管以其單向?qū)щ娞匦?，在整流開關(guān)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(jié)電容，能夠有效地減少信號(hào)線上的接入寄生電容，這里將近一步討論這個(gè)運(yùn)用。

上篇我們的工程師分享了關(guān)于“”的知識(shí)，有粉絲閱讀后要求了解更多有關(guān)電子類器件的知識(shí)，今天我們就來(lái)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(dāng)正向偏壓U=0.5V（硅管）時(shí)，二極管開始導(dǎo)通，電流越大電壓越大，具有很低阻抗；當(dāng)加反向偏壓時(shí)二極管不導(dǎo)通，在一定范圍內(nèi)有很小的漏電流，具有很大阻抗。其這個(gè)單向?qū)щ娦裕财鸬搅碎_關(guān)的作用，所以在整流和開關(guān)方面都有廣泛的應(yīng)用。

圖1 二極管伏安特性曲線

二極管有一個(gè)參數(shù)，沒有單向?qū)щ娦阅敲磸V為人知，但是對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響也至關(guān)重要，那就是“結(jié)電容”。

二極管參數(shù)—結(jié)電容

在一些高速場(chǎng)合，需要選結(jié)電容比較小的二極管；在某些場(chǎng)合，則需要利用這個(gè)結(jié)電容來(lái)達(dá)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(dá)到電壓控制頻率的目的。

圖2 壓控振蕩器應(yīng)用電路-實(shí)例

在高速電路上，由于頻率越來(lái)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(lái)自方方面面，比如PCB的材質(zhì)、厚度、板層結(jié)構(gòu)、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(duì)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(shè)計(jì)來(lái)減少的。下面我們將討論下怎樣“利用二極管的電容特性來(lái)減小高速信號(hào)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(lái)越大，結(jié)電容越來(lái)越小。

圖4 電容特性

在高速信號(hào)線上，通常會(huì)附加一些功能，這些功能通常會(huì)帶來(lái)不利的影響，如會(huì)產(chǎn)生很大的寄生電容，這個(gè)電容視具體的電路模塊而定。如果忽略這個(gè)電容，可能會(huì)影響這個(gè)信號(hào)的頻率。最不幸的是，就算您注意到了這個(gè)電容，由于附加的功能模塊產(chǎn)生的電容太大，似乎也無(wú)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(hào)線上的寄生電容，可以在附件功能的接入點(diǎn)處增加一個(gè)二極管，這個(gè)二極管必須節(jié)電容比較小的，通常選用小信號(hào)開關(guān)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(hào)線與附件功能模塊之間，這表示附加功能模塊使能時(shí)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(hào)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(hào)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(shè)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(shí)就是兩個(gè)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(yùn)用是建立在二極管單向?qū)щ娦院洼^小節(jié)電容的基礎(chǔ)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(duì)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(jié)合或許是不錯(cuò)的選擇。

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Buck 變換器的功率器件設(shè)計(jì)公式

電源紋波和瞬態(tài)規(guī)格會(huì)決定所需電容器的大小，同時(shí)也會(huì)限制電容器的寄生組成設(shè)置。圖1顯示一個(gè)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(guān)系。表1顯示了用于生成這些曲線的各個(gè)值。這些值為低壓（1V~2.5V）、中等強(qiáng)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(diǎn)。

低頻下，所有三種電容器均未表現(xiàn)出寄生分量，因?yàn)樽杩姑黠@只與電容相關(guān)。但是，鋁電解電容器阻抗停止減小，并在相對(duì)低頻時(shí)開始表現(xiàn)出電阻特性。這種電阻特性不斷增加，直到達(dá)到某個(gè)相對(duì)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(duì)陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器阻抗的改變不同

圖2顯示運(yùn)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(dǎo)。因此，紋波電壓與電感紋波電流直接相關(guān)。藍(lán)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(dǎo)致一系列時(shí)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(dǎo)，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(gè)分壓器。這些波形的相對(duì)相位與我們預(yù)計(jì)的一樣。ESL主導(dǎo)時(shí)，紋波電壓引導(dǎo)輸出濾波器電感電流。ESR主導(dǎo)時(shí)，紋波與電流同相，而電容主導(dǎo)時(shí)，其延遲?，F(xiàn)實(shí)情況下，輸出紋波電壓并非僅包含來(lái)自這些元件中之一的電壓。相反，它是所有三個(gè)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(gè)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(fù)，而具體狀態(tài)會(huì)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(jié)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(dǎo)致線性充電和放電，如藍(lán)色三角波形所示。最后，僅當(dāng)電流在過渡期間變化時(shí)，電容器ESL的電壓才明顯。這種電壓會(huì)非常高，取決于輸出電流升時(shí)間。請(qǐng)注意，在這種情況下，綠色線條需除以10（假設(shè)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(jí)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(yīng)忽視。在20kHz附近，鋁電解電容器的ESR大到足以主導(dǎo)電容阻抗。在100kHz時(shí)，一些鋁聚合物電容表現(xiàn)出電感。電源進(jìn)入兆赫茲開關(guān)頻率時(shí)，請(qǐng)注意所有三種電容器的ESL。

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回復(fù)關(guān)鍵詞有干貨：電路設(shè)計(jì)丨電容丨三極管丨PCB丨接地??????

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