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如何将电解电容器替换为MLCC呢?

2023-08-30 16:18:19 来源:电容检测机构乃棠检测

在需要高电容的平滑应用和去耦应用中,传统上广泛使用铝电解电容器和钽电解电容器。然而,随着MLCC容量的不断增加,各种电源电路中的电解电容器正在逐渐被MLCC所替代。这个替换趋势是因为MLCC带来了多项优势,例如可实现小型化和低轮廓,有助于减少占用板空间;低ESR(等效串联电阻),能有效减小纹波电压;以及更低的自发热,提高了可靠性。

需要注意的是,尽管低ESR是MLCC的优势之一,但也可能导致异常振荡和反谐振。此外,高介电常数系统(类型2)的MLCC在施加直流电压时电容值可能会发生变化。

这篇指南将为您介绍替换电解电容器为MLCC的优势和需要注意的事项。


(资料图)

替换为MLCC:降压型DC-DC转换器的输出电容器

近年来,随着集成电路IC)的高度集成化,电源电压逐渐降低。同时,由于IC的多功能化,功耗和所需电流也不断增加。为了应对这一挑战,分布式电源系统的应用日益普及,其中需要部署多个小型DC-DC转换器(POL转换器),这些转换器通常从中间电源母线到IC。

在DC-DC转换器中,需要使用多个电容器,尤其是用于平滑输出电压的电容器需要具备较大容量,传统上使用铝电解电容器和钽电解电容器。然而,电解电容器因其较大的尺寸而难以减少占板空间,同时还会存在由纹波电流引发的自发热等问题。

因此,替换为MLCC是一个明智的选择。与电解电容器相比,MLCC更小巧,更低矮,且具有更低的ESR。

图1展示了电子设备中常见的降压型DC-DC转换器的基本电路。蓝色标记的部分表示将电解电容器替换为MLCC的输出电容器。

图1:降压型DC-DC转换器的基本电路

各种电容器的主要特征

下面展示代表性电容器MLCC、钽电解电容器、铝电解电容器的主要特征。

表1:MLCC、钽电解电容器、铝电解电容器的主要特征

MLCC具有可实现小型化和低剖面化,有助于减少占板空间,通过低ESR来降低纹波电压,进而通过自发热更少来提高可靠性等各种优点。

另一方面,作为MLCC的优点低ESR也会引起异常振荡和反谐振。另外,需要注意的是,高介电常数系统(种类2)的MLCC具有当施加直流电压时电容发生变化的特性。

替换为MLCC的优点

优点1:可实现小型化和低剖面化,有助于减少占板空间

通过替换为比铝电解电容器更小、更矮的MLCC,可以节省电路基板的空间。

优点2:自发热更少

首先展示47μF的MLCC、铝电解电容器、钽电解电容器、功能性聚合物铝电解电容器的阻抗、ESR频率特性。

MLCC的阻抗和ESR的特性值都很低。

图3:各种电容器(47μF)的阻抗、ESR频率特性

另外,电容器的自发热量(P) 由电容器的ESR和纹波电流 (I) 通过下列公式表示。

自发热量(P) = ESR x 电流:I2(式1)

自发热量:由于P与ESR成比例,因此可以看出低ESR的MLCC的自发热量小,ESR比MLCC高的各种电解电容器的自发热量比MLCC大。

另外,电容器的产品寿命会受到温度的影响。一般已知,如果使用温度升高10℃,产品的寿命就会减少1/2,即“10℃2倍定律”。纹波电流导致的自发热量变大会缩短产品的寿命。另外,通常铝电解电容器的产品寿命约为10年。

图4:各种电容器的自发热量

优点3:降低纹波电压

・验证降压型DC-DC转换器的输出电压

用下面的评价系统测量了降压型DC-DC转换器的输出电压。

输出电容器使用了47μF的MLCC、铝电解电容器、钽电解电容器和功能性聚合物铝电解电容器。

图5:用各种电容器(47 μ F)验证降压型DC-DC转换器的输出电压

下表显示了各种电容器的输出电压波形和一般开关频率:300kHz时的ESR。

纹波电压和ESR都显示出了MLCC的最低值。

表2:各种电容器(47μF)的输出电压波形

纹波电压和ESR的关系用下列公式表示。通过此公式可知降低ESR对于降低纹波电压是有效的,低ESR的MLCC是有利的。

另外,功能性聚合物铝电解电容器在电解质中使用导电聚合物来降低ESR,与普通铝电解电容器相比,纹波电压有所降低,但一般尺寸稍大,价格也高。

通过增加铝电解电容器的电容来降低纹波电压是否有效?

我们对铝电解电容器的电容与纹波电压的关系进行了评估。

首先展示MLCC 47μF和普通铝电解电容器47μF、100μF、330μF的阻抗和ESR频率特性。

图6:MLCC 47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的阻抗、ESR频率特性

并且,在与图5相同的评价系统中,在输出电容器中使用MLCC 47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的条件下,测量了降压型DC-DC转换器的输出电压。

结果显示了各种电容器的输出电压波形和一般开关频率(300kHz)下的ESR。根据结果可知随着铝电解电容器的电容的增加纹波电压降低,但降低幅度变小。

图7:MLCC47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的输出电压波形

如果用式2来考虑其理由,可理解为虽然电容增加会导致纹波电压降低,但其影响比ESR小。 因此可理解为铝电解电容器的电容增加难以有效地降低纹波电压。

替换为MLCC时的注意事项

关于从电解电容器替换为MLCC时的注意事项,将为您介绍直流偏置(施加直流电压)特性,异常振荡和反谐振。

注意事项1:直流偏置(施加直流电压)特性

高介电常数系统(类型2)的MLCC具有当施加直流电压时电容发生变化的特性,这种特性被称为直流偏置(施加直流电压)特性。

因此,在MLCC上施加直流电压使用时,必须考虑直流偏置特性。

图8:高介电常数MLCC的直流偏置特性示例

注意事项2:异常振荡

作为MLCC的优点的低ESR,也可能会导致DC-DC转换器的输出电压不稳定或异常振荡。

DC-DC转换器将输出电压与基准电压进行比较,用误差放大器放大其误差部分并使其进行负反馈,从而得到相对稳定的直流电压。

此时,平滑电路的电感器和电容器会产生信号的相位延迟。相位延迟接近180°时,会变成正反馈的状态,导致输出电压的不稳定和异常振荡。

图9:直流-直流转换器负反馈电路

防止异常振荡的相位补偿

波特图是判断负反馈是否稳定工作的方法。波特图的横轴是频率,纵轴是增益和相位。

电感器和电容器引发的相位延迟接近180°时为正反馈,输出趋于不稳定。另一方面,即使相位延迟为180°,通过使增益为1以下(0dB以下),也可以收敛信号,防止异常振荡。

因此,为了减少相位延迟,在误差放大器的周围连接电容器和电阻,通过消除相位延迟进行调整。这称为相位补偿。

在输出电容器使用高ESR的铝电解电容器的现有设计中没有问题,但在低ESR的MLCC中补偿不足,有时会引起异常振荡,因此需要注意。

图10:波特图(增益・相位-频率特性)

图11:相位补偿电路

另请参阅“面向电源电路的MLCC解决方案(输出电容器的最佳结构验证)”。

注意事项3:反谐振

此外,在去耦应用中使用低ESR的MLCC时也需要注意。

通常在大电流、低电压下工作的IC去耦用电容器中,多个电容器并联连接。在去耦应用中,理想情况是使用在宽频带下低阻抗的电容器,但MLCC的阻抗频率特性表现为V形。

多个电容器并联连接,通常作为大电流和低电压下操作的IC的去耦电容器。在去耦应用中,具有宽频带低阻抗的电容器是理想的,但MLCC的阻抗频率特性表现为V形。

V形底部的频率称为自谐振频率(SRF)。SRF不同的MLCC并联连接安装后,MLCC的电容分量和寄生电感分量将形成LC并联谐振电路。这个现象是反谐振。

由于反谐振会产生强烈的阻抗峰值,因此其频率会降低噪声消除效果。其结果是电源电压不稳定,有时会引起电路故障。

图12:在去耦应用中并联有多个电容器

图13:MLCC的并联引起的反谐振

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※不保证产品的符合性。请客户充分确认产品的适用性后使用。

从电解电容器替换为MLCC时的推荐产品(PDF)

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