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何謂最適合切換式電源的電容和電感

訐估輸出漣波時注意輸出電容的ESL

電容篇 -4-

Keyword
  • 積層陶瓷電容
  • 功能性高分子電容
  • 輸出電容
  • 漣波電壓
  • ESR
  • ESL

-那麼,接下來我想請教作為輸出電容使用時的特性或性質。

切換式電源電路中,輸出電容與先前所說的輸入電容同樣也是必需的零件,我想這是無庸置疑的。思考方式與輸入電容相同,除了靜電容量之外,還必須考慮ESR或ESL等寄生成分的影響。不過,與輸入不同的是具有可施加的電流波形或負荷,因此會產生的電壓變動或現象也不同。總之,如何抑制輸出所產生的電壓變動並使其變小是一大課題。具體來說,著眼點在於輸出漣波電壓和暫態響應﹙transient response﹚。

-那麼,能否麻煩您先說明一下輸出漣波電壓呢? 由於流動的電流與輸入不同,如果能夠像先前說明輸入電容那樣從流入輸出電容的電流開始説明的話就太感謝了。

以降壓轉換器為例。首先,請看電源電路圖和漣波波形成分圖。三角波的電感電流藉由輸出段電晶體的切換來產生,有DC標示的電感平均電流流往輸出,其三角波的部分則作為AC流向輸出電容。下面的波形圖代表電容的三角波電流如何藉由電容的寄生成分ESL和ESR以及容量成分來變成何種電壓。

圖表顯示,電容的三角波電流會藉由ESL變為方形波電壓,如歐姆法則所示會藉由ESR直接變為三角波電壓,並藉由容量具備時間常數,最後變為這3成分的合成波。簡単來說,ESL會導致陡峭升起,ESR會導致傾斜變動,然後各自再因容量進行二次曲線變化。

下面的波形圖為實際的漣波電壓波形。從波形的舞動可以知道哪個部分仰賴什麼。這也是改善這種漣波所必須知道的know-how,最好事先記住。

上方的波形是電感電流,下方是輸出所產生的漣波電壓。陡峭升起部分是因ESL而產生的Vesl,之後增加的部分是因ESR而產生的Vesr,其合計則為漣波電壓的顛峰Vp-p。此時的輸出電容為功能性高分子型,容量為330µF。ESR為22mΩ,ESL為2nH,而切換頻率則皆為500kHz時之值。此外,表格顯示了實際的電壓變動値。如紅色所示,Vesl接近Vesr的2倍,佔全體漣波電壓Vp-p的2/3。這些數値由於會隨著頻率等條件的變動而改變,因此請以一個例子來想像。

-ESL的影響是否比較大呢?經常聽說輸出電壓的漣波仰賴ESR故應使用低ESR的電容。

沒錯,那是正確的理解。這個例子中也有產生ESR的Vesr,不過在某些條件下Vesl佔漣波電壓的比例會比較大。

-ESR和ESL的影響已經了解了,容量方面有什麼影響呢?

這些是容量和漣波電壓相關的資料。電容是功能性高分子型,容量是330µF、220µF、150µF。從波形圖和表格可以知道,Vesl幾乎沒有看到變化,顯示Vesl幾乎不仰賴容量。

-也就是說,基本上要使用ESR和ESL小的電容囉。

沒錯。積層陶瓷電容的特徴已經做了說明,低ESR、低ESL的MLCC-積層陶瓷電容對於降低漣波電壓非常有效。這是積層陶瓷電容被使用作為主要輸出入電容近年逐漸增加的理由。下面的波形圖是功能性高分子型和積層陶瓷電容漣波電壓的比較、以及讓電感電流的光譜與阻抗特性重疊的圖表。

漣波電壓波形中,可想而知粉紅系列積層陶瓷電容的Vesl明顯低,Vesr方面的斜度也小。當然,如阻抗特性圖表數値所示,ESR和ESL都很小。阻抗特性圖中,細線表示ESR。

此例由於切換頻率為500kHz,故可想而知電感電流的光譜﹙spectrum﹚從500kHz的基本波開始即存在高諧波﹙higher harmonics﹚。該領域的頻率高於共振點,故想必也可以理解ESL有大的影響。

此外,與容量的關係則以繪圖來表示。

由此繪圖可知,MLCC-積層陶瓷電容在降低漣波電壓Vp-p方面非常有利,幾乎沒有仰賴容量與Vesl的問題。順便一提,功能性高分子型為代表性3品牌,容量導致的Vesl差異幾乎不存在,不過視品牌而定,有時ESL會有差異。

-看了這個比較後有注意到一件事,如果以積層陶瓷電容來取代功能性高分子電容的話,是否需要相同的容量呢?

這是非常重要的一點。站在漣波電壓的觀點來看,積層陶瓷電容由於ESR、ESL都很小,因此針對先前的功能性高分子型可以用更低的容量來置換。容量不僅影響尺寸,同時也對成本造成影響。視條件而定,有時設為積層陶瓷電容可以降低漣波並同時達到小型化、削減成本。

何謂最適合切換式電源的電容和電感

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