同步降壓穩(wěn)壓器中電容器的作用和特性

本系列文章將以轉(zhuǎn)換器 IC 評(píng)估板的參考電路為主題，說(shuō)明選擇各種分立元件時(shí)的重要特性。在講解過(guò)程中，通過(guò)使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數(shù)，并使用仿真波形和計(jì)算值檢查電路的變化，解釋了特性與電路之間的關(guān)系。其中，《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法》分為上、下兩篇，將解釋如何選擇同步整流器型降壓轉(zhuǎn)換器電路所需的輸入/輸出電容器，同時(shí)通過(guò)仿真確認(rèn)電容器特性的影響。

本文為上篇，主要介紹電容器的作用、特性，以及如何選擇合適的電容器。另外，本文不描述如何為轉(zhuǎn)換器 IC LT8609 選擇外圍元件 (電容器)，它僅用作在 LTspice 上檢查電容器特性的示例電路。

各電容器的作用

理想情況下，電源線(xiàn)中應(yīng)該只有純直流元件，但在實(shí)際電源線(xiàn)中，輸入端會(huì)出現(xiàn)充電/放電產(chǎn)生的紋波電流以及電源集成電路開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的輸入電壓波動(dòng)。此外，輸出電壓的紋波噪聲也會(huì)在輸出部分產(chǎn)生。輸入電容器具有承受紋波電流和穩(wěn)定輸入電壓以及降低紋波電流引起的噪聲的作用。輸出電容器與電感構(gòu)成 LC 濾波器，以平滑輸出電壓，同時(shí)降低輸出電壓處的紋波噪聲。另一方面，它具有響應(yīng)負(fù)載側(cè)的突然變化 (瞬態(tài)響應(yīng)) 的作用。

在本文中，我們將研究 LT8609 同步降壓穩(wěn)壓器評(píng)估板的原理圖：DC2958A，將其分為兩部分：輸入電路和輸出電路。輸入電路中的噪聲抑制電容器為 C6，輸出電路中的噪聲抑制電容器為 C4，如下圖 (圖1) 所示：

圖1 LT8609 同步降壓穩(wěn)壓器評(píng)估板原理圖

輸入電容器

如下圖 (圖2) 所示，當(dāng)電源 IC 執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，在充電和放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生紋波電流。由于輸入電壓的波動(dòng)，它還會(huì)產(chǎn)生紋波電流。由于線(xiàn)路中存在寄生電感器和電阻器，該紋波電流在電源 IC 的輸入電壓處成為噪聲。輸入電容器沿分支瞬態(tài)電流的方向連接到電源線(xiàn)，這些電流會(huì)對(duì)接地線(xiàn)產(chǎn)生噪聲。通過(guò)這種方式，輸入電容器降低了這些噪聲并穩(wěn)定了電源 IC 的輸入電壓。

圖2 輸入電容器電壓波動(dòng)

要點(diǎn)

允許在充電和放電過(guò)程中因電源 IC 開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生紋波電流，并穩(wěn)定輸入電壓。

抑制由輸入紋波電流引起的輸入電壓波動(dòng)。

輸出電容器

如下圖 (圖3) 所示，電源 IC 的 SW 輸出必須通過(guò)與電感器和電容器形成 LC 濾波器來(lái)平滑處理，這是輸出電容器最重要的作用。此外它還能減少 VOUT 發(fā)出的紋波噪聲。即使負(fù)載發(fā)生瞬態(tài)波動(dòng)，也必須響應(yīng)電壓波動(dòng)并提供穩(wěn)定的電壓，這也是輸出電容器的一個(gè)重要作用。

圖3 輸出電容器電壓波動(dòng)

要點(diǎn)

電感器和 LC 濾波器配置以平滑輸出電壓。

降低輸出電壓下的紋波噪聲。

響應(yīng)負(fù)載側(cè)的突然變化 (瞬態(tài)響應(yīng))。

電容器的特性要求

在電子電路中使用電容器時(shí)，只考慮電容是理想的，實(shí)際電容器具有寄生電阻和電感器 (線(xiàn)圈) 成分。電阻分量稱(chēng)為等效串聯(lián)電阻 (ESR)，電感器分量稱(chēng)為等效串聯(lián)電感 (ESL)。之所以縮寫(xiě)是 ESL 而不是 ESI，是因?yàn)樵谝话愕碾娮与娐分校姼衅饔?L 表示，等效電路如下圖 (圖4) 所示：

圖4 等效電路

ESR 和 ESL 首先是寄生元件，它們?cè)叫≡嚼硐?。因此，在選擇實(shí)際的電容器時(shí)，請(qǐng)選擇低 ESR 和低 ESL 的電容器。ESR 和 ESL 值可在數(shù)據(jù)表中找到。

具有低 ESR 和低 ESL 的電容器是多層陶瓷電容器 (MLCC)，MLCC 的結(jié)構(gòu)使其能夠?qū)崿F(xiàn)比其他電容器更低的 ESR 和更低的 ESL，因此即使在高頻下也可以繼續(xù)作為電容器發(fā)揮作用。換句話(huà)說(shuō)，MLCC 在去除高頻噪聲方面更有效，并形成高性能濾波器。但是，MLCC 的靜電容量會(huì)隨環(huán)境溫度而變化。這是由于 MLCC 中使用的材料造成的，并且是所有 MLCC 都會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，無(wú)論制造商是誰(shuí)。因此，MLCC 的溫度特性基于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (JIS) 和美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA) 制定的標(biāo)準(zhǔn)，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，它們分為溫度補(bǔ)償和高介電常數(shù)系統(tǒng)。靜電容量的變化會(huì)因溫度而異，需要根據(jù)每個(gè)特性正確使用。

對(duì)于溫度補(bǔ)償，溫度系數(shù)的單位是 (ppm/°C)，高介電常數(shù)系統(tǒng)的單位是 (%)。在同步整流轉(zhuǎn)換器電路中，使用高介電常數(shù)系統(tǒng)就足夠了。例如，如果溫度特性符號(hào)處于 X5R 或 X7R 表示的級(jí)別，則可以充分使用它。X5R 的電容變化率為 -55~+85°C，電容變化率為 ±15%，而 X7R 的電容變化率為 -55~+125°C，電容變化率為 ±15%。

要點(diǎn)

使用低 ESR (等效串聯(lián)電阻) 和低 ESL (等效串聯(lián)電感)。

X5R (-55~+85°C，電容變化率 ±15%) 或 X7R (-55~+125°C，電容變化率 ±15%) 可以獲得足夠穩(wěn)定的溫度特性。

通常使用 MLCC。

MLCC 的類(lèi)型

電容器有多種類(lèi)型，它們根據(jù)使用的材料進(jìn)行分類(lèi)，例如陶瓷電容器、鉭電解電容器、鋁電解電容器等。MLCC 體積小，但靜電容量范圍廣，可用于各種應(yīng)用，例如降噪、電源電壓平滑和濾波電路。MLCC 具有陶瓷 (電介質(zhì)) 和電極的多層結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)小型化。MLCC 有兩種類(lèi)型：一種用于溫度補(bǔ)償，一種用于高介電常數(shù)。

用于溫度補(bǔ)償

由于溫度變化引起的電容變化率很小，用于緩沖電路 (吸收切換 FET 開(kāi)關(guān)等時(shí)產(chǎn)生的高頻振鈴的噪聲抑制電路) 和軟啟動(dòng)等時(shí)間常數(shù)電路。另一方面，原材料的相對(duì)介電常數(shù)小于高介電常數(shù)系統(tǒng)的相對(duì)介電常數(shù)，因此不能增加電容。

高介電常數(shù)系統(tǒng)

由于原材料的相對(duì)介電常數(shù)大，因此具有體積小、容量大的特點(diǎn)。但是，由于溫度特性范圍很廣，因此它被用作電源電路輸入和輸出的平滑電路和去耦電容器。

選擇時(shí)重要的特性

額定電壓

電容器指定有額定電壓，施加在電容器端子之間的電壓必須小于或等于額定電壓?！笆┘与妷骸辈粌H包括正常工作條件下的施加電壓，還包括浪涌電壓、靜電、開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)時(shí)的脈沖和紋波電壓等異常電壓。在選擇額定電壓時(shí)，應(yīng)考慮降額，并以額定電壓的 70~80% 以下使用為前提進(jìn)行選擇。

要點(diǎn)

額定電壓必須高于最大輸入電壓。

考慮降額時(shí)，在額定電壓的 70~80% 以下使用。

直流偏置特性

電容器的有效靜電容量值隨施加電壓而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電壓特性。施加直流電壓時(shí)的電壓特性稱(chēng)為直流偏置特性，施加交流電壓時(shí)的電壓特性稱(chēng)為交流偏置特性。在同步轉(zhuǎn)換器電路中，直流電壓施加到電容器上，因此直流偏置特性是一個(gè)需要考慮的重要因素。

直流偏置特性是指當(dāng)向電容器施加直流電壓時(shí)，有效靜電容量發(fā)生變化 (減小) 的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是使用鈦酸鋇鐵電體的高介電常數(shù) MLCC 所獨(dú)有的，在使用電介質(zhì)的陶瓷電容器或溫度補(bǔ)償 MLCC 以外的電容器中很少發(fā)生。特性變化的圖像如下圖 (圖5) 所示。在高介電常數(shù) MLCC 中，當(dāng)溫度特性 (X5R、Y5V 等) 不同時(shí)，直流偏置特性也會(huì)發(fā)生變化。直流偏置特性因型號(hào)而異，因此請(qǐng)查閱各制造商的數(shù)據(jù)表、規(guī)格書(shū)和技術(shù)說(shuō)明以了解具體特性。

圖5 直流偏置特性變化

接下來(lái)介紹 DC 偏置特性和其他因素對(duì)靜電容量產(chǎn)生的影響變化。

如果只考慮電容 C，那么隨著頻率的增加，阻抗會(huì)減小。另外，電容的差異會(huì)影響噪聲消除和平滑的效果。因此，我們使用仿真來(lái)改變輸入電容器 C6 的電容并檢查輸入電壓的狀態(tài)。仿真電路如圖 6 所示。為了使仿真模型更接近實(shí)際電路，考慮了布線(xiàn) (電纜等)，并添加了偽電阻 (R4=0.01Ω) 和電感器 (L2=100nH)。此外，考慮到電容器與 IC 的布線(xiàn)影響，在電容器 C6 上串聯(lián)添加了電阻器 (R5=0.001Ω) 和電感器 (L3=0.01nH)。

圖6 輸入電容器仿真電路

比較輸入電容 C6 在 1μF 和 10μF 時(shí)的電容。顯然，10μF 更穩(wěn)定。

圖7 輸入電容 C6 比較

接下來(lái)，重點(diǎn)檢查輸出電容器。嘗試改變輸出電容 C4 的電容值，觀察輸出電壓的波動(dòng)。仿真電路如圖 8 所示。同樣，為了使仿真模型更接近實(shí)際電路，考慮到從電容器到集成電路的布線(xiàn)影響，在電容器 C4 的串聯(lián)處添加了一個(gè)電阻 (R6=0.001Ω) 和一個(gè)電感 (L4=0.01nH)。

圖8 輸出電容器仿真電路

比較電容值為 4.7μF 和 47μF 的輸出電容器 C4，從下圖 (圖9) 可以看出，電容值為 4.7μF 時(shí)，電壓升高，而電容值為 47μF 時(shí)，電壓相對(duì)穩(wěn)定。

圖9 輸出電容器電容值比較

要點(diǎn)

對(duì)于 MLCC (高介電常數(shù)型)，應(yīng)考慮直流偏置特性，即有效電容隨外加電壓降低。

可在制造商的網(wǎng)頁(yè)上查看直流偏置特性。

選擇時(shí)應(yīng)考慮電容減小率 (檢查使用電壓下的電容減小率)。

等效串聯(lián)電阻：ESR

ESR 可在每個(gè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中找到。它在等效電路上是一個(gè)常數(shù)值，但實(shí)際上它隨頻率而變化。ESR 特性的圖像如下圖 (圖10) 所示。選擇標(biāo)準(zhǔn)基于 ESR 的最小值，ESR 特性也因型號(hào)而異，因此請(qǐng)查看各制造商的數(shù)據(jù)表、規(guī)格書(shū)和技術(shù)說(shuō)明以了解具體特性。

圖10 ESR 特性圖

另一方面，電容器的等效電路是由 R、L 和 C 組成的串聯(lián)電路，因此它在頻率響應(yīng)中具有諧振點(diǎn)。諧振點(diǎn)是 L 和 C 分量相互抵消并僅成為 R 分量的頻率。在諧振點(diǎn)處，只有 R 分量顯示為阻抗，因此諧振點(diǎn)處的阻抗被認(rèn)為等于 ESR。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有描述 ESR 值或 ESR 特性，則可以根據(jù)頻率特性確定 ESR。頻率響應(yīng)的圖像如下圖 (圖11) 所示。這也因型號(hào)而異，因此請(qǐng)查看每個(gè)制造商的數(shù)據(jù)表、規(guī)格和技術(shù)說(shuō)明以了解詳細(xì)信息。

圖11 頻率響應(yīng)圖像

總結(jié)

本文主要介紹了電容器的作用、特性，以及如何選擇合適的電容器。在《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法 (下)》將通過(guò)仿真，為大家介紹電容器特性的影響。