忽视MLCC电容的直流偏置电压特性,将会导致电源的纹波变大,严重时将会影响电路的正常工作。
拿到客户的故障机机器后,为了快速定位到问题,我们直接接上示波器测量主芯片端的AD端口,发现AD引脚上有100mV左右的纹波,这个对于模拟量采集来说纹波太大了。我们采取了器件替换法快速定位器件的原因,先后更换端口的钳位二极管,运放等,问题依旧,最后我们更换到DCDC电源输出的陶瓷电容式,纹波一下子降低到30mV左右,说明问题就在这个DCDC电源输出的陶瓷电容。
图1:0-3.3V采集原理图
我们查看电源芯片的规格书得知,当使用的电容ESR较大时,纹波由ESR决定,当使用陶瓷电容时,由于陶瓷电容的ESR非常小,基本可以忽略不计,因此纹波主要有电容的容量决定。我们使用网络分析仪测试电路的电容容量,发现设计的47uF电容,实测大概只有10uf左右,后来我们增加电容并联到47uf左右,电源的纹波又可以达到之前设计的30mV左右。
图2:DCDC纹波计算方法
后来我们咨询电容厂家,厂家给出一个关键的的信息:陶瓷的直流偏压特性曲线,如下图,由以下的图像可知,电源电压为5V时,电容的容量将会下降到只有原来容量的20%,这个下降时非常恐怖的,容量的大幅度减小,导致纹波的大幅度升高。
图3:47uF/Y5V/6.3V/C1206陶瓷的直流偏压特性曲线
由于是我们变更了陶瓷电容,采用了更差的材质和更低的压降,忽视了陶瓷电容的直流偏压特性问题,因此,经过厂家建议,我们更换为贴片电容47UF/16V/X7R/20%陶瓷电容,由于X7R电容的直流偏压特性更好,同时,由于电压升高到16V,工作在5V的时候,根据厂家的直流偏压特性,下降大概只有20%左右,实测纹波也符号要求。
陶瓷的直流偏压特性是很多工程师容易忽略的问题,特别是比较便宜的差的材质的,例如Y5V、Z5U等介质的陶瓷电容,其直流偏压特性非常差,并且容量越大,其下降的幅度月度,设计者尽量避免不要选用该材质的陶瓷电容,同时,陶瓷电容的电压如果条件允许的话,越高越好。
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