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何謂最適合開關式電源的電容和電感

在選擇輸入電容方面, 著眼於漣波電流、ESR、ESL

電容篇 -3-

Keyword
  • 積層陶瓷電容
  • 輸入電容
  • 漣波電壓
  • 額定漣波電流
  • ESR
  • ESL
  • 本身發熱
  • 壽命

- 電容的特性因材料或CASE而異已經可以理解。在這裡我想請教的是,實際使用開關式電源電路時,該特性或性質具體上會帶來什麼樣的影響呢?

我想您大概已經明白,開關式電源電路需要輸入電容和輸出電容,而且各自處理的電壓和電流性質不同。說明分輸入和輸出兩部分來進行比較容易理解,首先從輸入電容開始。有關流向輸入電容的電流,為了慎重起見,先簡單説明以作為後敘的前提。

下圖是同步整流降壓轉換器的概念性電路。位於VIN前方的MOSFET是高端開關﹙high-side switch﹚,當此高端開關ON時,其電流波形大致呈垂直升立狀態,電流的流動與電感電流相同。而當高端開關OFF後低端開關﹙low-side switch﹚ON時,此電流會急速變為零。此電流波形的AC成分會流向輸入電容。

此輸入電容電流所產生之電壓(波形)除了以電容的「靜電容量」來表現外,亦因所存在的寄生成分「ESR(等效串聯阻抗)」及「ESL(等效串聯電感)」的不同而有不一樣的表現方式。

- 簡單來說,除了靜電容量之外,還會受到ESR和ESL的影響囉?

沒錯,我想趁此難得的機會稍微深入說明一下。剛才提到的容量、ESR、ESL等3要素各別的影響可以用波形和公式來表示。為了方便理解,我有準備圖表。

此圖中,電容電流為方形波,並顯示藉由各成分所導致電壓變化。首先是藉由ESR所產生的電壓,如公式所示,ESR亦即阻抗×電流,將變將為方形波。容量成分方面則為電流和時間的積分,將變為三角波。ESL成分方面可以用微分來表示,將會因為開關開關的時機而產生瞬間脈衝電壓,即所謂尖波﹙spike﹚等,也可以說是高速的脈衝性噪音。最後,電容兩端的電壓變動則是這3成分電壓和的合成波。

- 3成分的合成波如果有評估過開關式電源的人想必應該記得它的波形,不過是否可以單純想成是各成分影響的加算呢?

基本上可以。其實重點就在這裡。例如,可以知道方形波成分大的話ESR也大,而當尖波變大時也可以推測ESL也大。任何一方皆為零再好不過,只是現實中勢必會存在,因此評估時可以觀察輸入電容的電流和電壓,從波形來了解到底發生了什麼問題。

我這裡有測試電路的實際波形資料,您可以透過這些資料看到真實的波形,同時我也會詳細說明鉭質電容和積層陶瓷電容有何不同。

首先是測試電路,係將5V/100kHz開關式電源施加於欲評估之電容來監控電壓和電流。電容的容量有22µF和100µF兩種。鉭質電容和積層陶瓷電容視零件而定,其ESR也有極大的不同。如一開始所說的,這是積層陶瓷電容的優點之一。從ESR的比較圖可以明白,在100kHz方面,儘管容量約為1/5,積層陶瓷電容的ESR還是低了2位數。

請先看22µF的鉭質電壓波形。紅色箭頭所顯示幾近垂直的電壓變化部分是ESR的方形波成分。因ESR變大導致漣波電壓將變得相當大。到了100µF,我想應該可以明白ESR的電壓將呈現一半以下。也就是說,ESR將少於一半。可以稍微觀察ESL的尖波,不過我想應該不會明顯超過整體的漣波電壓,尤其不會有ESL的問題。

- 因為已經看到下方的積層陶瓷電容波形,所以先發問了。波形只看到三角波而且是小尖波,這是否可以理解為由於ESR非常小故幾乎沒有ESR的方形波成分,ESL也由於比鉭質或功能性高分子材料的電容小故尖波也小,可以看見的主要為容量成分的三角波呢?

正是如此。可以知道當容量設為100µF時其三角波也會進一步變小,漣波電壓會非常小。在這裡可以說的是,藉由使用ESR和ESL小的積層陶瓷電容可以明顯使漣波電壓或尖波變小。其他觀點您再看一次波形圖即可明白,100µF的鉭質和22µF的積層陶瓷的漣波電壓大致相同。也就是說,倘若達到相同等級的輸入漣波電壓,使用積層陶瓷時將有容量小、尺寸也必然小的優點。

另外,我這裡有使用電源IC評估板來比較功能性高分子材料電容和積層陶瓷電容的輸入漣波資料,提供您參考。關注焦點想必在於功能性高分子材料的容量為82µF,而積層陶瓷只有一半以下的30µF,功能性高分子材料的ESL尖波較大。尺寸亦然。順便一提,紅圈所圈住的輸入電容左側應該可以看到各有2個電容,不過那都是輸出電容。1個功能性高分子電容的空間可以收納2個積層陶瓷。這基本上是小型,容量甚至可以更小。

- 容我轉換話題,在設計電源時會閱讀電源IC數據板,我想所有數據板幾乎都寫著「選擇輸入電容時,請注意額定漣波電流」。關於這點,電容的種類或特性有什麼關聯呢?

「注意額定漣波電流」意指使用可以額定輸入漣波電流的額定電容,不過輸入電容由於會有大於輸出電容的漣波電流流入,因此比起輸出電容,必須更加注意額定漣波電流。另外,額定漣波電流與本身發熱有關。電容的ESR由於為阻抗成分,因此當漣波電流流動時便會立刻發熱。當然,ESR一大則發熱也會變大。此外還必須充分考慮的是,由於輸入電容的漣波電流大,因此發熱也會變大。

- 經常聽說一般的鋁電解電容檢討溫度和壽命非常重要,其他種類如何呢?

考量方式原則上相同。雖然程度有差,不過所有電容都是越高溫的話包含壽命在內的信賴性就越低。例如,電解電容或功能性高分子材料電容方面大多顯示100kHz時的許容電流作為額定漣波電流的條件,並以其為目標進行設計。而積層陶瓷電容方面則有時會顯示稍微不同的條件,本公司的條件是「本身發熱20℃以内」。(最近已變更為20℃)

以積層陶瓷電容數據表的摘錄圖為例,從開關式頻率求本身發熱和額定漣波電流,並顯示頻率與ESR圖的關係。

下方的額定漣波電流圖代表溫度上升曲線對開關式頻率10kHz、100kHz、1MHz時之漣波電流。例如,在1MHz開關式電流下若要維持「本身發熱20℃以下」的話,可以額定10℃和1MHz曲線交叉之2.8A左右的漣波電流。

此外,從上方的頻率和ESR圖可以讀取到已提示條件的3個頻率的ESR値。尤其是DC/DC轉換器所使用的數百kHz~數MHz位於ESR最低的範圍且有抑制發熱的有利特性。相對的,在ESR稍微變高的10kHz條件下則可以讀取到額定漣波電流變小的數據。額定漣波電流和ESR有密切關係無庸置疑,而ESR小的積層陶瓷在發熱上也可以說是有優勢的。

想必您已經知道,電源電路的輸入漣波電流可以利用公式求得。以降壓轉換器為例,我想數據表中應該有提示以下公式。

可以判斷,此公式的計算值只要在圖表所示的額定值內即可。

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