使用陶瓷電容做補(bǔ)償?shù)闹绷髯儞Q器

余昊俊

【摘 要】越來越多的直流電壓轉(zhuǎn)換器使用陶瓷電容器作為輸出濾波的主要部分。直流電壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)特性是由反饋回路的增益和帶寬決定的，而陶瓷電容對(duì)其有改善作用。 陶瓷電容產(chǎn)生更高的諧振頻率以及相位滯后，改善直流電壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。 電源設(shè)計(jì)者需在最壞的情況下對(duì)不同條件的器件和參數(shù)容差進(jìn)行分析考量。論文對(duì)比介紹了使用不同類型輸出電容的影響，性能對(duì)比和優(yōu)缺點(diǎn)。

【Abstract】More and more DC converters use ceramic capacitors as the main part of output filtering. The transient characteristics of DC voltage converters are determined by the gain and bandwidth of the feedback loop， and the ceramic capacitors can improve their performance. Ceramic capacitors cause higher resonant frequency of the output filter and phase lag， which is affecting stable operation of a DC converter. In the worst case， the power designer needs to analyze the device and parameter tolerance of different conditions. In this paper， we introduce the effects of different types of output capacitors， performance comparison， advantages and disadvantages.

【關(guān)鍵詞】陶瓷電容；直流電壓轉(zhuǎn)換器；環(huán)路補(bǔ)償；穩(wěn)定性

【Keywords】ceramic capacitor； DC converter； loop compensation； stability

【中圖分類號(hào)】TN99 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）09-0174-02

1 引言

尺寸，功耗，精確度是衡量DC/DC（直流到直流）轉(zhuǎn)換器的一些重要參數(shù)。相比于電解電容，陶瓷電容由于具有更小的體積，更低的ESR（串聯(lián)等效電阻）而備受歡迎。而在負(fù)載電流跳變的條件下，就需要更好的輸出濾波器和反饋環(huán)路。本文對(duì)比了不同類型輸出電容下的性能差別，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

2 陶瓷電容和電解電容的區(qū)別

2.1 主要參數(shù)

近年來，由于低成本，小體積等特點(diǎn)，X5R，X7R型陶瓷電容越來越受歡迎。下表1列舉了多種輸出電容的一些典型特性的對(duì)比。相比于電解電容而言，X5R或X7R型的陶瓷電容具有更低的參數(shù)變化和容差。 最新的陶瓷電容，容值在10μF到100μF的范圍內(nèi)具有極低的ESR，接近2mΩ至5mΩ。 并且其電容容差為±20%或更低。

2.2 輸出紋波

陶瓷電容器的低ESR和ESL顯著降低了DC / DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波。 在這種情況下的輸出波紋主要取決于電容值。流經(jīng)電感的電流也會(huì)流過輸出電容的ESR，因此，輸出電壓紋波其實(shí)也反映了輸出電感上電流的波形。

下圖1中的波形顯示了DC / DC變化器的開關(guān)波形和輸出電壓紋，其使用2 x 150μF特種聚合物電容作為輸出濾波電容。 圖2中的波形與轉(zhuǎn)換器采用3 x 22μF陶瓷電容。兩個(gè)穩(wěn)壓器都具有相同的0.65μH的輸出電感并以相同的開關(guān)頻率700 KHz運(yùn)行。在輸入電壓為3.3 V，輸出電壓為1.8V的相同占空比下，使用66μF陶瓷電容的輸出紋波的峰值只有6.4 mV，而使用300μF聚合物電容器的輸出電壓紋波峰峰值為23.2 mV。

2.3 輸出濾波器頻率響應(yīng)

輸出電容的參數(shù)及其公差顯著影響著調(diào)節(jié)器的頻率響應(yīng)。使用電解或陶瓷電容作為輸出濾波器的不同調(diào)節(jié)器之間，其頻率響應(yīng)也存在很大的差異。當(dāng)使用電解電容時(shí)，只有選擇較大的電感值，才能得到與陶瓷電容相同的開關(guān)頻率下大致相等的輸出紋波。陶瓷電容所產(chǎn)生的ESR零點(diǎn)一般位于兆赫茲的頻率范圍內(nèi)，這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于芯片的典型穿越頻率。通常來說，穿越頻率會(huì)比開關(guān)頻率的1/5還低一些。這也就意味著，此ESR零點(diǎn)對(duì)環(huán)路的影響可以忽略不計(jì)。舉例來說，一般一個(gè)700KHz的開關(guān)頻率的IC，其穿越頻率不會(huì)超過140KHz，也就是說這個(gè)頻率遠(yuǎn)比ESR零點(diǎn)的頻率小。

使用陶瓷電容的輸出濾波器，相比于電解電容，其諧振頻率高出5倍以上，而ESR零點(diǎn)頻率則是前者的150倍左右，相位滯后也從110度變成了170度。對(duì)于一個(gè)理想的二階濾波器會(huì)產(chǎn)生180度相移，這使得陶瓷電容更接近理想化狀態(tài)。

2.4 動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)對(duì)比

對(duì)于直流電壓變換器而言，輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)是反映芯片動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的重要參數(shù)。在負(fù)載電流急劇增加或跌落時(shí)，輸出電壓能否維持在穩(wěn)定狀態(tài)，或者能否迅速響應(yīng)顯得極其重要。圖3顯示的是使用電解電容的直流電壓變換器，負(fù)載電流變化3A時(shí)，輸出電壓的動(dòng)態(tài)紋波波形。其中Vm1是電流上升時(shí)的負(fù)過沖（undershoot），這個(gè)值是由輸出電容的ESR和ESL所決定的；Vm2是因?yàn)檩敵鲭娙萆系碾姾捎捎谪?fù)載電流跳變而迅速轉(zhuǎn)移造成的尖峰。Vm2峰值的幅度取決于最佳輸出濾波器選擇以及轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路對(duì)瞬態(tài)跳變響應(yīng)的速度[1]。

圖4顯示的是使用陶瓷電容作為輸出電容的負(fù)載電流動(dòng)態(tài)跳變響應(yīng)。由于陶瓷電容具有很低的ESR和ESL，所以Vm1在這張波形中幾乎看不到。當(dāng)然，第二個(gè)尖峰Vm2比電解電容稍大一些。造成這個(gè)差別的原因主要是因?yàn)樘沾呻娙莸娜葜当入娊怆娙菀秃芏唷Ｔ陔姾闪肯嗟鹊臈l件下，電容的容值越低，電壓的變化也就越大。選擇較低的輸出電感有助于減少在瞬態(tài)跳變期間施加到電容器的電荷，這是因?yàn)殡姼须娏魈兊叫碌呢?fù)載電流所需的時(shí)間也會(huì)更短。當(dāng)然，補(bǔ)償環(huán)路的作用就是使得即便在容值很小的陶瓷電容輸出下，也能有很小的Vm2值以及快速的響應(yīng)時(shí)間。

3 結(jié)論

本文主要闡述了陶瓷電容和電解電容，OS-CON以及多聚合物電容的典型參數(shù)對(duì)比，并通過實(shí)際測(cè)試看到了在不同類型的輸出電容下，對(duì)諸如頻率響應(yīng)，輸出紋波，負(fù)載電壓動(dòng)態(tài)跳變等性能的影響。無論是從成本考量，還是體積尺寸，或者環(huán)路響應(yīng)的穩(wěn)定性來看，X5R和X7R類型的陶瓷電容都能很好地適用于多種應(yīng)用條件的輸出濾波器，這也是使得越來越多的消費(fèi)類電子、汽車電子產(chǎn)品選擇陶瓷電容的原因所在。

【參考文獻(xiàn)】

【1】Rais Miftakhutdinov.微處理器或DSP電源的最佳輸出濾波器設(shè)計(jì)[J].模擬應(yīng)用雜志，2000（8）：22-29.endprint