淺談輸出電容器使用時的輸出紋波電壓與負載瞬態(tài)響應(yīng)

接下來請介紹一下作為輸出電容器使用時的特性和性質(zhì)的影響。

開關(guān)電源電路中，不言而喻輸出電容器也和前面提到的輸入電容器一樣，也是必須有的部件。和輸入電容器的思路相同，也需要考慮靜電電容以及ESR和ESL這樣的寄生成分的影響。但是，和輸入相比，由于有施加電流波形和負載等不同點，因此所發(fā)生的電壓變動和現(xiàn)象也不同。不管怎樣，如何將輸出所產(chǎn)生的電壓變動抑制在最小是要解決的課題。具體而言，需要著眼于輸出紋波電壓與負載瞬態(tài)響應(yīng)。

－那么，是否能首先進行輸出紋波電壓相關(guān)的說明？因為流過的電流與輸入不同，如果能像介紹輸入電容器時那樣，從輸出電容器流過的電流開始說明的話，更容易理解。

以降壓轉(zhuǎn)換器為例。首先請看電源電路與紋波的波形成分示意圖。通過輸出段晶體管開關(guān)產(chǎn)生三角波的電感電流，標為DC的電感平均電流通往輸出，其三角波部分作為AC流過輸出電容器。其下面的波形圖表示三角波的電容器電流受電容器的寄生成分ESL和ESR、以及電容成分影響產(chǎn)生了怎樣的電壓。

三角波的電容器電流受ESL影響產(chǎn)生矩形波電壓。有些ESR產(chǎn)生符合歐姆定律的三角波電壓，有些電容容量具有時間常數(shù)。最終形成這3種成分的合成波。簡而言之，急劇上升是ESL產(chǎn)生的，帶有斜率的變動是ESR產(chǎn)生的，并分別根據(jù)電容容量而產(chǎn)生二次曲線變化。

下面的波形圖是實際的紋波電壓波形。從波形的形態(tài)可以看出哪個部分受什么影響較大。這是為了改善此類紋波所需要了解的技術(shù)知識，所以要記住。

上方的波形是電感電流，下方的波形是輸出產(chǎn)生的紋波電壓。急劇上升的部分是由ESL產(chǎn)生的Vesl。之后的增量部分是由ESR所產(chǎn)生的Vesr。其合計是紋波電壓的峰值Vp-p。此時的輸出電容器是導(dǎo)電性高分子型，容值是330μF。ESR是22mΩ，ESL是2nH，二者都是開關(guān)頻率為500kHz時的值。另外，表格中是實際的電壓變動值。如紅色值所示，Vesl是Vesr的近2倍，占了整個紋波電壓Vp-p的2/3。由于這些數(shù)值會隨頻率等條件而改變，所以請理解為僅僅是一個例子。

－ESL的影響更大嗎？經(jīng)常聽說由于輸出電壓的紋波取決于ESR，所以要使用ESR較低的輸出電容器。

這是正確的理解。在該例中，ESR也產(chǎn)生了Vesr。但是，在一些條件下，Vesl所占紋波電壓的比例會變大。

－以上了解了ESR與ESL的影響，電容容量是如何影響的呢？

這是表示電容容量與紋波電壓關(guān)系的數(shù)據(jù)。電容器是導(dǎo)電性高分子型，容值是330μF、220μF、150μF。從波形圖和表格可以看出，幾乎沒有出現(xiàn)Vesl的變化。這表明Vesl幾乎不取決于容量。

－也就是說，基本上要使用ESR和ESL較小的電容器吧。

的確如此。前面已經(jīng)介紹過疊層陶瓷電容器的特征，低ESR、低ESL的MLCC－疊層陶瓷電容器對降低紋波電壓非常有效。這是近年來疊層陶瓷電容器作為主要的輸入輸出電容器使用不斷增長的原因。下面的波形圖是導(dǎo)電性高分子電容器與疊層陶瓷電容器的紋波電壓比較和阻抗特性上疊加了電感電流的頻譜示意圖。

紋波電壓波形中可以看出，粉色系所示的疊層陶瓷電容器的Vesl明顯很低，Vesr的梯度也較小。當然，如阻抗特性圖與表格數(shù)值所示，ESR和ESL也較小。阻抗特性圖中，細線表示ESR。

該例中由于開關(guān)頻率是500kHz，可以知道電感電流的頻譜里存在從500kHz的基本波到高次諧波。由于其范圍是高于諧振點的頻率，所以可以理解ESL的影響較大的原因。

另外，下面用映射圖表示其與電容容量的關(guān)系。

從該映射圖可以知道，MLCC－疊層陶瓷電容器非常有助于降低紋波電壓Vp-p，容量與Vesl幾乎不存在依存性。順便說一句，導(dǎo)電性高分子型在代表性的3個品牌中，幾乎沒有由容量產(chǎn)生的Vesl差異，而不同品牌的ESL有差異。

－看了該比較后注意到，也就是說如果用疊層陶瓷電容器替換導(dǎo)電性高分子電容器，不需要相同容值是嗎？

這是非常重要的要點。從紋波電壓的角度看，由于疊層陶瓷電容器的ESR、ESL都很小，對于原來的導(dǎo)電性高分子型可以用更低的容量來替換。容量不僅影響尺寸，還會影響成本。在一些條件下，通過使用疊層陶瓷電容器，減小紋波的同時還可以實現(xiàn)小型化并降低成本。

編輯：hfy