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来自工程师的声音

最适合开关电源的电容器与电感

输入电容器选型要 着眼于纹波电流、ESR、ESL

电容器篇 -其3-

关键词
  • 叠层陶瓷电容器
  • 输入电容器
  • 纹波电压
  • 额定纹波电流
  • ESR
  • ESL
  • 自身发热
  • 寿命

-我们了解了电容器的特性取决于材料及外壳的不同。下面请介绍一下在实际用于开关电源电路时,其特性和性质具体会带来什么样的影响。

在开关电源电路中需要有输入电容器与输出电容器,它们各自处理的电压与电流的性质是不同的。因为将输入与输出分开讲解更容易理解,所以从输入电容器开始说明。为慎重起见,首先简单说明一下关于流过输入电容器的电流。这是之后内容的前提。
下图是同步整流降压型转换器的电路示意图。从VIN看,前方的MOSFET是高边开关,接通该高边开关时,该高边开关的电流波形几乎垂直上升,流过与电感电流相同的电流。而且,断开高边开关并接通低边开关时,该电流迅速变为零。该电流波形的AC部分流过输入电容器。

该输入电容器的电流所产生的电压(波形)因电容器的“静电电容”之外存在的寄生成分“ESR(等效串联电阻)”及“ESL(等效串联电感)”的差异而不同。

-简而言之,静电电容之外,会出现ESR与ESL所产生的影响吧。

是的。因为机会难得,所以进行稍微深入的说明。可以用波形与公式来表示刚才所说的电容、ESR、ESL这3个要素各自的影响。为了便于理解请看下图。

该图表示电容器电流为矩形波时,各成分产生了什么样的电压。首先是ESR所产生的电压,公式所示ESR即电阻×电流的矩形波。电容成分是电流与时间的积分,是三角波。ESL成分可以用微分来表示,在开关的时间点发生一瞬间的脉冲电压,这可以认为是被称作“尖峰”等的高速脉冲性噪声。最终在电容器两端的电压变动是它们3种成分的电压之和的合成波。

-3种成分的合成波是评估过开关电源的人所眼熟的波形,可以简单认为它仅仅是把各成分的影响加在一起的产物吗?

基本上是这样。而事实上这正是重要之处。例如,可以看出矩形波成分越大ESR也越大。此外,可以推测出尖峰大时,ESL较大。它们最好都是零,但是由于它们是现实存在的东西,评估时观察输入电容器的电流与电压,从波形可以知道哪里出了问题。

这是一份试验电路的实际波形资料,请看实际波形并让我来说明钽电容器与叠层陶瓷电容器有怎样的不同。

首先,试验电路是给待评估电容器一个5V/100kHz的开关来监测电压与电流。电容器的容值是22µF与100µF两种。由于钽电容器与叠层陶瓷电容器的部件差异,ESR的差异很大。这是最初谈到过的叠层陶瓷电容器的优点之一。从ESR的比较图中可以看出,在100kHz时,尽管叠层陶瓷电容器的容值大约只有1/5,但ESR值低了2位数。

首先请看22µF钽电容器的电压波形。红色箭头所表示的几乎垂直的电压变化部分是ESR所产生的矩形波成分。由于ESR较大,它所产生的纹波电压相当大。可以看出,当变为100µF时,ESR所产生的电压变为一半以下。也就是说,ESR变为一半以下。虽然多少观察到了ESL所产生的尖峰,但是没有超过整体的纹波电压,可以认为没有ESL所产生的明显问题。

-由于已经看到了下侧的叠层陶瓷电容器的波形,所以先问一下,波形是三角波,只能看到较小的尖峰,是因为ESR非常小,ESR所产生的矩形波成分几乎没有;ESL也比钽电容器和导电性高分子材料电容器小,尖峰也很小,主要看到的是电容成分所产生的三角波。这样的理解对吗?

正是如此。可以看出容值是100µF时,其三角波也变得更小,纹波电压非常小。这里可以说的是,使用ESR与ESL较小的叠层陶瓷电容器可以使纹波电压和波尖明显变小。从不同角度再次观察波形图表可以看出,100µF的钽电容器与22µF的叠层陶瓷电容器的纹波电压大致相同。也就是说,如果实现相同水平的输入纹波电压,使用叠层陶瓷电容器时的一个优点是,由于其容值较小,必然只需要较小尺寸就可以实现。

请参考另一个使用电源IC的评估板来比较导电性高分子材料电容器与叠层陶瓷电容器的输入纹波的资料。着眼点是导电性高分子材料电容器的容值为82µF,叠层陶瓷电容器为30µF,仅一半以下,导电性高分子材料电容器的ESL所产生的尖峰较大。还有尺寸。顺便说一句,红色圆圈所圈定的输入电容器的左侧各有2个电容器,那是输出电容器。1个导电性高分子电容器的空间容纳了2个叠层陶瓷电容器。这基本上是小型而且可以减少容量的结果。

-转换一下话题,当设计电源而阅读电源IC的技术规格时会发现几乎所有的技术规格中都记述了“输入电容器选型时请注意额定纹波电流”。关于这一点,与电容的种类和特性有什么关系?

“注意额定纹波电流”首先是指要使用可以容许输入纹波电流的额定的电容器,因为输入电容器流过的纹波电流大于输出电容器,从这个角度看,比起输出电容器更需要注意额定纹波电流。接着,额定纹波电流与自身发热相关。由于电容器的ESR是电阻成分,当纹波电流流过时会发热。理所当然,ESR较大时发热量也会增大。另外,需要充分考虑输入电容器的纹波电流较大,因此发热量也增加的情况。

-对于一般的铝电解电容器,普遍被认为关于温度与寿命的探讨很重要,那么对于其他种类电容器是怎么样呢?

原则上思路相同。虽然程度有所不同,但随温度升高任何电容器包括寿命在内的可靠性都会降低。例如,对于电解电容器和导电性高分子材料电容器,通常作为额定纹波电流的条件标有100kHz时的容许电流,可以以其为基准进行设计。而叠层陶瓷电容器有时会标有略微不同的条件,ROHM公司标明的条件是“自身发热20℃以内”。(最近变更为20℃)

以叠层陶瓷电容器的技术规格摘录为例,这是通过开关频率获得自身发热与容许纹波电流的图表。此外,还建立了频率和ESR曲线的关联。

下面的容许纹波电流图表示对于开关频率为10kHz、100kHz、1MHz时的纹波电流的温度上升曲线。从图中可以看出,比如1MHz的开关为了保证“自身发热20℃以下”,可以容许在10℃与1MHz的曲线交汇处的大约2.8A的纹波电流。

另外,从上面的频率与ESR图中可以读取出条件所提出的3个频率的ESR值。可以看出特别是DC/DC所使用的数百KHz到数MHz是ESR最低的范围,是有助于抑制发热的特征。对此,可以读取出在ESR稍微变高的10kHz条件下,容许纹波电流变小。不言而喻容许纹波电流与ESR有着密切的关系,可以说ESR较小的叠层陶瓷电容器在发热方面也极具优势。

电源电路的输入纹波电流是可以通过公式求得的。以降压型转换器为例,技术规格中应该提出了如下的公式。

如果通过该公式获得的计算值在图表所示的容许值内,则判断为可行。

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