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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

输出电容器的ESR 对负载减少时的输出变动影响大

电容器篇 -其5-

关键词
  • 叠层陶瓷
  • MLCC
  • 导电性高分子
  • 输出电容器
  • 负载变动
  • 急剧下降
  • ESR
  • ESL
  • 输出波动

-除输出纹波之外,输出电容器还有要注意的地方吗?

输出电容器除输出纹波外,还对输出负载电流的变动起到保持稳定的作用。例如,CPU从休眠状态进入运转状态时,急剧流过较大负载电流,发生输出电压一瞬间降低的现象。

-负载瞬态响应特性是电源的重要特性之一吧。

对于负载变动输出变动,在刚才例子中提到的“急剧增加”时的变动和与其相反的“急剧下降”时均会发生。在刚才的CPU例子中,就是从运转状态进入休眠状态等这类条件。在这种情况下,输出电压瞬间上升。下面开始讲一下“负载急剧增加时的输出电压下降水平虽然在容许范围内,但负载急剧下降时的输出电压上升大到出乎意料”的事例。

下面使用表示波形和状态的图来说明。上侧的波形图中表示同步整流降压转换器的输出电压(红色)和电感电流(深蓝色)以及负载电流(粉色)。

首先,首先,负载电流在纵向虚线①(蓝色)的稍前方开始减少,最终几乎为零。例如,请想象为就像CPU或某种设备因关机的关系,3A大的负载电流几乎变没。

其次,电感电流在纵向虚线①(蓝色)前方最近的开关周期的高边开关断开(低边接通)期间内负载电流开始减少,因此好像多少延迟了断开时间,在纵向虚线①(蓝色)的时间点,下一个周期(高边接通/低边断开)开始。因此,尽管不需要负载电流可是电感电流增大。然后,在纵向虚线②(绿色)的时间点变为断开,就这样持续断开状态,电感电流减少至零附近。请记住,电感电流在过程中保持着比负载电流大的状态。

接下来,基于负载电流与电感电流(开关)的变化来看输出电压的关系。负载电流开始减小时,希望输出尽可能不立即降至最低,高边开关仍处于断开,可是因电源IC控制的关系使高边开关的进行了接通动作,输出电压急剧上升(①蓝色与②绿色的纵向虚线期间)。此时的导通时间似乎稍短,因为负载电流正在不断减小,该时间点的功率供给在输出电容器流过大量的电流。

其后,高边开关变为断开,电感电流减小。电感电流超过负载电流,其差流过输出电容器,输出电压持续上升。下侧的波形图表示电容器电流。

输出电压从③红色纵向虚线附近开始下降,这是因为随着时间推移电感电流与负载电流的差,即电容器电流在减小。请在下侧的波形图中比较电感电流与负载电流的差和电容器电流的变动。可以看出,负载电流波形的倒置是电容器电流波形,与电感电流交点处的电容器电流是零,以后的倒置区间是负值,之后返回至零左右。

输出电压的变动是Vc+Vesr,它们全都涉及电容器电流。特别是Vesr,由于按ESR×电容器电流发生,ESR较大时输出变动变大是必然的。

-还没有提及ESL,没有关系吗?

我认为在该例的条件下,不需要特别考虑,但当负载电流的减少更急剧时,会出现ESL的影响。

-该例中,使用的输出电容器是导电性高分子型,关于不同电容器的种类,特别是使用叠层陶瓷电容器时会出现什么样的不同?

这里有使用各种输出电容器时的数据。对包括3种有代表性的导电性高分子型、以及叠层陶瓷-MLCC在内的容值和尺寸不同的16种电容器进行了实验。从上侧的波形图看到,负载急剧下降时,有较大的输出电压的变动。其下侧的波形图是变动部分的放大,因电容器的不同种类与容值而有很大差异。

-话虽如此,说实话由于不便于看清,所以尝试了映射表示。

前面也说明过,该例的输出电压变动的主要原因是Vc和Vesr,与电容器的类型无关,容值大=必然是ESR小的电容器,其关键要点是像减小这种负载急剧下降时的输出电压变动。

-MLCC的优点是什么?

在纹波专题中也提到过,叠层陶瓷电容器-MLCC的ESR和ESL较低,从这些寄生成分的角度来看,即使容值相比导电性高分子型小也可以满足客户需求,当然,在小型化方面也颇具优势。容值为导电性高分子型的2/3左右即可。

-明白了。还有其他要注意的地方吗?

上面所举的例子,负载急剧下降时的电压上升较大的第一要因是,所使用的电源IC的控制、即负载急剧下降时的响应特性。反过来讲,通过使用负载减少时立即跟上型的电源IC,这里出现的现象在容许范围内也许不是问题。

在这里我通过这个事例想说的是,如果发生了类似的现象,可通过把输出电容器换为ESR较小的产品来解决。此外,包括纹波专题在内,输出电容器是在寄生成分ESR和ESL较小方面占优势,但是由于有些电源IC可能因输出电容器的ESR较小而产生问题,因此需要进行充分的探讨。

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