寄生电容特点详解

寄生电容特点详解

所谓寄生电容指的是本来没有在那个地方设计电容，但由于布线构之间总是有互容，互容就好像是寄生在布线之间的电容一样，所以叫寄生电容。

寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略，在计算中我们要考虑进去。ESL就是等效电感，ESR就是等效电阻。不管是电阻，电容，电感，还是二极管，三极管，MOS管，还有IC，在高频的情况下我们都要考虑到它们的等效电容值，电感值。

实际中并不是所有的寄生电容都是有害的，例如动态读写存贮器（DRAM），以其速度快、集成度高、功耗小、价格低在微型计算机中得到极其广泛地使用。但动态存储器同静态存储器有不同的工作原理，它是靠内部寄生电容充放电来记忆信息，电容充有电荷为逻辑1，不充电为逻辑0。

实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。电源纹波和瞬态规格会决定所需电容的大小，同时也会限制电容的寄生组成设置。图1显示一个电容的基本寄生组成，其由等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）组成，并且以曲线图呈现出三种电容（陶瓷电容器、铝质电解电容器和铝聚合物电容）的阻抗与频率之间的关系。表1显示了用于生成这些曲线的各个值。这些值为低压（1V~2.5V）、中等强度电流（5A）同步降压电源的典型值。

表1:三种电容比较情况，各有优点。

低频下，所有三种电容均未表现出寄生分量，因为阻抗明显只与电容相关。但是，铝电解电容器阻抗停止减小，并在相对低频时开始表现出电阻特性。这种电阻特性不断增加，直到达到某个相对高频为止（电容出现电感）。铝聚合物电容为与理想状况不符的另一种电容。有趣的是，它拥有低ESR,并且ESL很明显。陶瓷电容也有低ESR,但由于其外壳尺寸更小，它的ESL 小于铝聚合物和铝电解电容。

图1:寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容阻抗的改变不同

图2显示运作在500kHz下的连续同步调节器模拟的电源输出电容波形。它使用图1所示三种电容的主要阻抗：陶瓷电容；铝ESR;铝聚合物ESL.

红色线条为铝电解电容，其由ESR主导。因此，纹波电压与电感纹波电流直接相关。蓝色线条代表陶瓷电容的纹波电压，其拥有小ESL和ESR.这种情况的纹波电压为输出电感纹波电流的组成部分。由于纹波电流为线性，因此这导致一系列时间平方部分，并且外形看似正弦曲线。

最后，绿色线条代表纹波电压，其电容阻抗由其ESL主导，例如：铝聚合物电容等。在这种情况下，输出滤波器电感和ESL形成一个分压器。这些波形的相对相位与我们预计的一样。ESL主导时，纹波电压引导输出滤波器电感电流。ESR主导时，纹波与电流同相，而电容主导时，其延迟。现实情况下，输出纹波电压并非仅包含来自这些元件中之一的电压。相反，它是所有三个元件电压之和。因此，在纹波电压波形中都能看到其某些部分。

图2:电容及其寄生要素在连续同步降压调节器中形成不同的纹波电压图3显示了一个深度连续反激或者降压调节器的波形，其输出电容电流可以为正和负，而具体状态会不断快速变化。红色线条清楚表明了这种情况，其电压由这种电流乘以ESR得出，结果则为一种方波。电容元件的电压为方波的组成部分。它导致线性充电和放电，如蓝色三角波形所示。最后，

仅当电流在过渡期间变化时，电容ESL的电压才明显。这种电压会非常高，取决于输出电流升时间。请注意，在这种情况下，绿色线条需除以10（假设25 nS电流过渡）。这些大电感尖峰就是在反激或降压电源中经常出现双级滤波器的众多原因之一。

图3:波形随连续反激或者降压输出电流而变化

总之，输出电容的阻抗有助于提高纹波和瞬态性能。随着电源频率升高，寄生问题的影响更大、更不应忽视。在20kHz附近，铝电解电容的ESR大到足以主导电容阻抗。在100kHz时，一些铝聚合物电容表现出电感。电源进入兆赫兹开关频率时，请注意所有三种电容的ESL.

为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件

之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不

仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。