為開關(guān)調(diào)節(jié)器選擇正確類型的輸出電容器

電容器是降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的重要組成部分。了解不同類型的電容器以及每種電容器如何影響調(diào)節(jié)器性能。

本系列之前的文章檢查了降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的電氣性能，提供了初始電感器尺寸的指導(dǎo)，并討論了電感器電流和電感微調(diào)?，F(xiàn)在，在LTspice模擬和下面的示意圖（圖1）的幫助下，我們將探討電容器特性和開關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器性能之間的關(guān)系。

LTspice中使用的降壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

?圖1。LTspice中使用的降壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

輸出電容器用途

開關(guān)模式調(diào)節(jié)器中的電感器允許導(dǎo)通/截止開關(guān)動作以產(chǎn)生上升/下降電流波形。然而，我們需要輸出電容來存儲和釋放電荷，使得流入負載的電流和負載兩端的電壓保持穩(wěn)定，盡管電感器電流（可能相當大）變化。下面的圖（圖2）顯示了當我使用一個非常小的C1值實際上消除了輸出電容器時會發(fā)生什么。

說明具有極低電容值的降壓轉(zhuǎn)換器的電壓輸出的仿真結(jié)果。

?圖2。具有極低電容值的模擬降壓轉(zhuǎn)換器的電壓輸出。

然后我們可以看到，開關(guān)模式調(diào)節(jié)器中的輸出電容器實現(xiàn)了一個關(guān)鍵的濾波功能。因此，應(yīng)仔細選擇該組件，同時注意電容器的類型及其電容值。本文將著重介紹電容器類型；接下來，我們將討論價值。

電容器類型

低壓電子器件中最常用的三種電容器技術(shù)是陶瓷（也稱MLCC，意為多層陶瓷電容器）、鋁電解和鉭。我總結(jié)了以下各方面的優(yōu)缺點，重點介紹了開關(guān)電源相關(guān)的質(zhì)量；請記住，這些都是概括性的，并且從本質(zhì)上講，概括性會犧牲一定程度的精確性，以達到簡潔和簡單的目的。

陶瓷電容器

優(yōu)點：成本低；低等效串聯(lián)電阻（相關(guān)說明見下一節(jié)）；不極化；?緊湊型。

缺點：受壓影響；電容相對于直流偏置、溫度和時間不穩(wěn)定；。

貼片鋁電解電容

優(yōu)點：成本低；易于獲得，具有高電容和高額定電壓；高比。

缺點：極化；體積大的；性能隨著時間的推移而降低；高等效串聯(lián)電阻；相對運行溫度不穩(wěn)定；在高頻下不那么有效。

鉭質(zhì)電容器

優(yōu)點：電容體積比高；緊湊型；?長期可靠性。

缺點：成本高；極化的；在高頻下不那么有效。

開關(guān)調(diào)節(jié)器設(shè)計的趨勢是朝向更高的開關(guān)頻率，這允許更低的輸出電容。這使得陶瓷成為輸出電容器更可行的選擇；想要了解更多關(guān)于這個主題的信息的人可以找到我感興趣的陶瓷電容器類型指南。

總之，我發(fā)現(xiàn)陶瓷電容器最有用。如果有必要避免使用陶瓷，我只考慮電解鋁或鉭。

等效串聯(lián)電阻

哪個特性對您的輸出電容器類型的選擇影響最大，至少部分取決于您的優(yōu)先權(quán)。然而，如果你關(guān)注的是電氣性能，那么等效串聯(lián)電阻（ESR）可能是最重要的考慮因素。

在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電路中，較低的等效串聯(lián)電阻通常更好。更高的等效串聯(lián)電阻導(dǎo)致更高的輸出電壓紋波和更低的效率；它還可能對調(diào)節(jié)器用于維持指定輸出電壓的控制回路的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。然而，在理論上，開關(guān)的控制回路可以設(shè)計為考慮更高的等效串聯(lián)電阻電容器，所以我們不能說更低的等效串聯(lián)電阻總是更利于穩(wěn)定性。需要注意的一個重要事實是電容器等效串聯(lián)電阻在頻率上不是恒定的。需要使用與電路工作頻率相對應(yīng)的等效串聯(lián)電阻值。

如果您使用的是現(xiàn)成的開關(guān)，數(shù)據(jù)表可能會包括示例電容器零件編號或推薦的等效串聯(lián)電阻范圍。您還可以發(fā)現(xiàn)模擬有助于確定成功的電容器參數(shù)，特別是在數(shù)據(jù)表指南有限或不可用的情況下，并且您可以將ESR添加到理想的電容器中，以使模擬更符合實際的電氣行為。

真實電容器的更完整模型包括等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電感（ESR）。您可以在我的旁路電容系列的第2部分中閱讀更多關(guān)于ESR和ESL的內(nèi)容。

輸出紋波

下圖（圖3）給出了具有理想化輸出電容器（ESR=0Ω，ESL=0H）的圖1所示開關(guān)電路的輸出紋波。

模擬結(jié)果說明了等效串聯(lián)電阻設(shè)定為0Ω的降壓變換器的輸出紋波。

?圖3。圖1的輸出紋波。等效電阻=0Ω。 

現(xiàn)在讓我們修改輸出電容器，使其行為更符合0805陶瓷電容器的行為。我們將把等效串聯(lián)電阻設(shè)置為10 mΩ，這對于我們的切換器在1.5 MHz工作頻率下的陶瓷電容器來說是一個合理的值。新的VOUT軌跡如圖4所示，其垂直軸和水平軸的設(shè)置相同，以便于進行直觀的比較。

模擬結(jié)果說明了等效串聯(lián)電阻設(shè)定為10 mΩ的降壓變換器的輸出紋波。

?圖4。圖1的輸出紋波。等效電阻=10米Ω。

這里沒有明顯的差別，這是個好消息。這些結(jié)果表明，高品質(zhì)的陶瓷電容器不會嚴重降低我們的輸出電壓。

現(xiàn)在讓我們將等效串聯(lián)電阻增加到400 mΩ，這是我們在1.5 MHz下運行的電解電容器或鉭電容器可能具有的電阻。圖5展示了結(jié)果：

模擬結(jié)果說明了等效串聯(lián)電阻設(shè)置為400mΩ的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波。

?圖5。圖1的輸出紋波。等效電阻=400米Ω。

輸出紋波有顯著的增加，但并沒有什么災(zāi)難性的。

低溫注意事項

如果您正在尋找災(zāi)難性的退化，那么您可以在必須在非常低的溫度下運行的應(yīng)用中使用電解電容器來實現(xiàn)。圖6給出了電解帽的等效串聯(lián)電阻隨溫度降低至室溫以下而增加的實例。

顯示電解電容器隨溫度變化的曲線圖。

?圖6。電解電容器等效串聯(lián)電阻隨溫度變化。

因此，電解輸出電容器在20°C下提供可接受的紋波或穩(wěn)定性性能在-30°C下可能完全不可接受。如果你有一個應(yīng)用程序，這種低溫行為是有問題的，但不足以完全放棄電解電容器，你可以通過添加一個陶瓷電容器與電解并行。

展望：電容計算

我們已經(jīng)討論了常見電容器類型的特性以及它們?nèi)绾斡绊戦_關(guān)調(diào)節(jié)器的性能。在下一篇文章中，我們將著重討論輸出電容計算以及如何根據(jù)您的需要選擇正確的電容值。