電源設(shè)計小貼士 51：了解寄生電容器

電源紋波和瞬態(tài)規(guī)格會決定所需電容器的大小，同時也會限制電容器的寄生組成設(shè)置。圖 1 顯示一個電容器的基本寄生組成，其由等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)組成，并且以曲線圖呈現(xiàn)出三種電容器(陶瓷電容器、鋁質(zhì)電解電容器和鋁聚合物電容器)的阻抗與頻率之間的關(guān)系。表1顯示了用于生成這些曲線的各個值。這些值為低壓(1V – 2.5V)、中等強(qiáng)度電流(5A)同步降壓電源的典型值。

表1：三種電容器比較情況，各有優(yōu)點。

低頻下，所有三種電容器均未表現(xiàn)出寄生分量，因為阻抗明顯只與電容相關(guān)。但是，鋁電解電容器阻抗停止減小，并在相對低頻時開始表現(xiàn)出電阻特性。這種電阻特性不斷增加，直到達(dá)到某個相對高頻為止(電容器出現(xiàn)電感)。鋁聚合物電容器為與理想狀況不符的另一種電容器。有趣的是，它擁有低ESR，并且ESL很明顯。陶瓷電容器也有低ESR，但由于其外殼尺寸更小，它的ESL小于鋁聚合物和鋁電解電容器。

圖 1 寄生對陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器阻抗的改變不同

圖 2 顯示運作在500kHz下的連續(xù)同步調(diào)節(jié)器模擬的電源輸出電容器波形。它使用圖 1 所示三種電容器的主要阻抗：陶瓷電容;鋁ESR;鋁聚合物ESL。

紅色線條為鋁電解電容器，其由ESR主導(dǎo)。因此，紋波電壓與電感紋波電流直接相關(guān)。藍(lán)色線條代表陶瓷電容器的紋波電壓，其擁有小ESL和ESR。這種情況的紋波電壓為輸出電感紋波電流的組成部分。由于紋波電流為線性，因此這導(dǎo)致一系列時間平方部分，并且外形看似正弦曲線。

最后，綠色線條代表紋波電壓，其電容器阻抗由其ESL主導(dǎo)，例如：鋁聚合物電容器等。在這種情況下，輸出濾波器電感和ESL形成一個分壓器。這些波形的相對相位與我們預(yù)計的一樣。ESL主導(dǎo)時，紋波電壓引導(dǎo)輸出濾波器電感電流。ESR主導(dǎo)時，紋波與電流同相，而電容主導(dǎo)時，其延遲。現(xiàn)實情況下，輸出紋波電壓并非僅包含來自這些元件中之一的電壓。相反，它是所有三個元件電壓之和。因此，在紋波電壓波形中都能看到其某些部分。

圖 2 電容器及其寄生要素在連續(xù)同步降壓調(diào)節(jié)器中形成不同的紋波電壓

圖 3 顯示了一個深度連續(xù)反激或者降壓調(diào)節(jié)器的波形，其輸出電容器電流可以為正和負(fù)，而具體狀態(tài)會不斷快速變化。紅色線條清楚表明了這種情況，其電壓由這種電流乘以ESR得出，結(jié)果則為一種方波。電容器元件的電壓為方波的組成部分。它導(dǎo)致線性充電和放電，如藍(lán)色三角波形所示。最后，僅當(dāng)電流在過渡期間變化時，電容器ESL的電壓才明顯。這種電壓會非常高，取決于輸出電流升時間。請注意，在這種情況下，綠色線條需除以10(假設(shè)25 nS電流過渡)。這些大電感尖峰就是在反激或降壓電源中經(jīng)常出現(xiàn)雙級濾波器的眾多原因之一。

圖 3 波形隨連續(xù)反激或者降壓輸出電流而變化

總之，輸出電容器的阻抗有助于提高紋波和瞬態(tài)性能。隨著電源頻率升高，寄生問題的影響更大、更不應(yīng)忽視。在20kHz附近，鋁電解電容器的ESR大到足以主導(dǎo)電容阻抗。在100kHz時，一些鋁聚合物電容表現(xiàn)出電感。電源進(jìn)入兆赫茲開關(guān)頻率時，請注意所有三種電容器的ESL。

下次，我們將討論一種低功耗、離線式反激轉(zhuǎn)換器，敬請期待。