Part 01 前言
上一篇文章咱们讲了LDO输出电容容值的选型计算,今天咱们聊聊在选LDO输出电容时,输出电容的ESR,也就是等效串联电阻有哪些注意事项。别看它不起眼,这家伙可是LDO稳定性和性能的“幕后英雄”。选不好,LDO电路可能直接“罢工”,选对了,就能让你的设计稳如老狗!下面,咱们就深入了解ESR的要求和计算方法。
Part 02 ESR是啥玩意儿?为啥这么重要?
简单说,ESR就是输出电容上的一个等效串联电阻,它藏在电容内部,影响着LDO的动态响应和稳定性。LDO内部的控制环路需要电容和ESR默契配合,才能有一个稳定的输出电压。如果ESR太高,输出电压会不稳开抖;太低,电路可能直接“失控”,直接原地振荡开始跳舞。
ESR的作用在于引入一个零点(Zero),这玩意儿能抵消环路中的相位延迟,防止180°相移把系统搞垮。换句话说,ESR就是LDO稳定性的“调味剂”,得加得恰到好处!
Part 03 如何选型计算输出电容的ESR?
比如TPS76201的数据手册,它有说明ESR不是随便选的,它和输出电容容值有关系,而且有明确范围,数据手册推荐范围是0.3Ω到1.5Ω。
最小输出电容:4.7 µF(如果输出电容少于这个值,ESR得精挑细选,不然稳不住,如果电容超过 4.7 µF,ESR可以适当降低,但别贪心降到零。
为啥有这个范围?因为LDO有控制环路,ESR太低,比如陶瓷电容的10-50mΩ,会导致补偿零点频率跑太高,压根赶不上极点节奏,容易导致振荡;ESR太高,比如老式铝电解电容在低温下飙升,电压跌落就跟坐过山车似的,稳不住输出。
再加上温度因素,低温下ESR可能会翻倍,尤其铝电解电容,所以选电容时得考虑“严冬考验”。TPS76201推荐的钽电容,比如KEMET的T494B475K016AS,ESR最大1.5 Ω,或陶瓷电容加小电阻,都是靠谱选择。
如何计算ESR?一步步来,别慌!
别以为ESR算起来像天书,实际上它很简单,就是根据LDO的稳定性需求和电容特性推导。
1.确定零点频率
LDO 环路需要ESR引入的零点fz落在合适位置,通常在环路带宽内。公式是:
Cout:输出电容值。
RESR:目标ESR值。
fz:理想零点频率 (参考数据手册或仿真确定)。
TPS76201 建议 Cout = 4.7 μF,如果想让 f约1kHz(—个常见环路带宽):
33.9Ω超出了1.5Ω范围!这说明直接用公式算得太粗糙,还是得参考数据手册的“安全区”。
当然我们也可以通过数据手册来反推ESR范围:
实际中,ESR范围是厂家根据环路仿真给出的“经验值”。TPS76201明确 0.3-1.5 Ω,意味着零点频率大约在22 kHz到106 kHz 之间(以 4.7µF 计算)。你得确保这个范围覆盖环路的极点频率,不然就得调整电容或加阻。
那如何选电容呢?
陶瓷电容:ESR太低(<0.1Ω),适合高频,但得加阻补救。推荐 X5R/X7R类型,4.7µF 起步。可以串联0.5Ω电阻,调到0.6-1Ω。
钽电容:ESR天然合适(0.6-1.5 Ω),可以直接上。TPS76201推荐的 KEMET T494B475K016AS(4.7 µF,ESR ≤ 1.5 Ω)是不错选择。
铝电解:容值大,但低温下ESR飙升,慎用。
布局来说电容离LDO输出引脚越近越好,减少寄生效应,不然ESR再好也白搭!