寄生电容

二极管以其单向导电特性，在整流开关方面发挥着重要的作用；其在反向击穿状态下，在一定电流范围下起到稳压效果。令人意外的是，利用二极管的反偏压结电容，能够有效地减少信号线上的接入寄生电容，这里将近一步讨论这个运用。

上篇我们的工程师分享了关于“”的知识，有粉丝阅读后要求了解更多有关电子类器件的知识，今天我们就来聊一聊“如何妙用二极管减少寄生电容”。

二极管参数—单向导电性

提到二极管，大家最熟悉的就是二极管的单向导电性，反映伏安曲线上如图1所示。当正向偏压U=0.5V（硅管）时，二极管开始导通，电流越大电压越大，具有很低阻抗；当加反向偏压时二极管不导通，在一定范围内有很小的漏电流，具有很大阻抗。其这个单向导电性，也起到了开关的作用，所以在整流和开关方面都有广泛的应用。

图1 二极管伏安特性曲线

二极管有一个参数，没有单向导电性那么广为人知，但是对电路设计的影响也至关重要，那就是“结电容”。

二极管参数—结电容

在一些高速场合，需要选结电容比较小的二极管；在某些场合，则需要利用这个结电容来达到特定的目的，比如压控振荡器（VCO），正是利用了变容二极管在不同的反向偏压下有不同的电容值，从而达到电压控制频率的目的。

图2 压控振荡器应用电路-实例

在高速电路上，由于频率越来越高，寄生电容的影响已经不能忽视了。在系统中，这些不期望的电容来自方方面面，比如PCB的材质、厚度、板层结构、走线平行度，这些都是影响PCB板的寄生电容，还有元器件本身的寄生电容，最可恶的是这些东西还受环境温度的影响。

图3 寄生电容引起“振铃”

难道就没办法对付它们了吗？通过工程师们的不懈努力，发现这些影响是可以通过合理的电路设计来减少的。下面我们将讨论下怎样“利用二极管的电容特性来减小高速信号上的寄生电容”。

二极管妙用—减少寄生电容

首先，我们熟悉下二极管的电容特性：图4所示的是IN4448HWS二极管的电容特性。零反向偏压下，电容是3pF，随着反向偏压越来越大，结电容越来越小。

图4 电容特性

在高速信号线上，通常会附加一些功能，这些功能通常会带来不利的影响，如会产生很大的寄生电容，这个电容视具体的电路模块而定。如果忽略这个电容，可能会影响这个信号的频率。最不幸的是，就算您注意到了这个电容，由于附加的功能模块产生的电容太大，似乎也无能为力。通用附件功能接入法如图5所示：

图5 通用附件功能接入法

为了减少信号线上的寄生电容，可以在附件功能的接入点处增加一个二极管，这个二极管必须节电容比较小的，通常选用小信号开关管，如果考虑到大电流问题，则需要慎重考虑选型问题。

图6 正向接入法

正向接入方法如图6所示，二极管接在信号线与附件功能模块之间，这表示附加功能模块使能时是高电平输出的。另外，为了更大程度地减小寄生电容，通常使二极管工作在反偏压状态下，即UL 接至低电平。在附加功能模块不工作，二极管处于最大反偏压下，具有更小的节电容，信号线能够工作在高频状态下，系统获得更高的性能。

图7 反向接入法

反向接入方法如图7所示，与正向接入不同的是，二极管的正极接到信号线上，UH接至高电平。

不管正向还是反向接入法，其等效电路都如图8所示。我们假设二极管的节电容为3pF，附件功能模块寄生总电容1uF。如果电阻足够大，那么可以忽略，此时就是两个电容串联，和电阻并联类似，CT=C1*C2/(C1+C2)≈C1(C2较大)。大电容就算变化很大，串联总电容几乎等于小电容，即3pF，有效减小接入电容。

图8 等效电路

总之，以上运用是建立在二极管单向导电性和较小节电容的基础上。正向接入和反向接入只能是单方向的，不能解决所有情况，也就是说只能针对特殊的功能模块。如果附加功能模块需要双向的，把图6和图7结合或许是不错的选择。

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Buck 变换器的功率器件设计公式

电源纹波和瞬态规格会决定所需电容器的大小，同时也会限制电容器的寄生组成设置。图1显示一个电容器的基本寄生组成，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器（陶瓷电容器、铝质电解电容器和铝聚合物电容器）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1：三种电容器比较情况，各有优点。

低频下，所有三种电容器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（电容器出现电感）。铝聚合物电容器为与理想状况不符的另一种电容器。有趣的是，它拥有低ESR,并且ESL很明显。陶瓷电容器也有低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器。

图1：寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容器阻抗的改变不同

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器波形。它使用图1所示三种电容器的主要阻抗：陶瓷电容；铝ESR;铝聚合物ESL.

红色线条为铝电解电容器，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器的纹波电压，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，其电容器阻抗由其ESL主导，例如：铝聚合物电容器等。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：电容器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，其输出电容器电流可以为正和负，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。电容器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，电容器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，输出电容器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，铝电解电容器的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器的ESL。

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