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何謂最適合切換式電源的電容和電感器

輸出電容的ESR對負載減少時的輸出變動有極大影響

電容篇 -5-

Keyword
  • 積層陶瓷
  • MLCC
  • 功能性高分子
  • 輸出電容
  • 負載變動
  • 驟減
  • ESR
  • ESL
  • 輸出變動

-除了輸出漣波之外,輸出電容還有其他注意事項嗎?

輸出電容除了輸出漣波之外,對於輸出負載電流的變動也扮演著維持穩定的角色。例如,想必您已知道,當CPU從休眠狀態變為運轉狀態時大的負載電流會急劇流動,輸出電壓會有瞬間降低的現象。

-負載暫態響應特性是電源的重要特性之一。

負載變動輸出變動除了前例「驟増」時的變動外,在「驟減」時也會發生。若以CPU為例,則類似從運轉狀態進入休眠般的條件。其次要談的便是「負載驟増時的輸出電壓降低等級雖然在容許範圍內,不過負載驟減時輸出電壓的em>上升卻會超乎想像地大」的例子。

我想以波形或狀態圖來說明。上方的波形圖顯示出同步整流降壓轉換器的輸出電壓(紅)和電感器電流(藍)、以及負載電流(粉紅)。

首先是負載電流,在縱虛線①(藍)稍前開始減少,最後大致為零。例如,請試著想像因CPU等裝置已關機的緣故,3A程度的負載電流幾乎沒有流動。

其次是電感器電流,由於縱虛線①(藍)前方切換週期的高端開關﹙high-side switch﹚OFF期間(低端ON)負載電流已開始減少,因此雖然似乎延長了若干OFF時間,不過在縱虛線①(藍)的時機已經開始了下一個週期(高端ON/低端OFF)。也因此,儘管不需要負載電流,電感器電流還是増加了。之後,在縱虛線②(綠)的時機會變為OFF,就這樣持續OFF狀態,電感器電流會逐漸滅少一直到零附近,不過請記得一直到中途都會持續處於電感器電流比負載電流多的狀態。

此外,再根據負載電流和電感器電流(switching)的變化來看輸出電壓的關係。雖然希望負載電流開始減少後輸出不要立刻無限下降讓高端開關一直處於OFF狀態,不過由於高端開關會受電源IC控制而進行ON動作,故輸出電壓會急劇上升(①藍和②綠的縱虛線期間)。此時的ON時間似乎會稍微變短,不過由於負載電流會逐漸減少,電力供給在此時機下會將許多電流導入輸出電容。

之後,高端開關會變為OFF,電感器電流會下降,但電感器電流會超越負載電流,其差數則會流向輸出電容,輸出電壓會繼續上升。下方的波形圖顯示了電容電流。

輸出電壓會從③紅色縱虛線四周開始下降,這是因為電感器電流和負載電流的差數,也就是電容電流會伴隨時間的經過而開始減少的綠故。請根據下方的波形圖來比較電感器電流與負載電流的差和電容電流的變動。我想可以知道,負載電流波形倒轉過來便是電容電流波形,而在與電感器電流的交點上電容電流為零,以後倒轉區間為負,之後會返回到大致為零。

輸出電壓的變動為Vc+Vesr,任何一方皆與電容電流相關。尤其是Vesr由於會因ESR×電容電流而產生,因此當ESR大時輸出變動必然會變大。

-這裡沒有談到ESL,是否沒有關係呢?

此例的條件下我想沒有必要特別考慮,不過倘若負載電流進一步急劇減少時,ESL的影響會開始出現。

-在此例中,輸出電容使用功能性高分子型,電容的種類,尤其是使用積層陶瓷電容時會出現什麼樣的差異呢?

我這裡有使用各種不同輸出電容時的數據。進行實驗的有功能性高分子型代表性3種,以及含積層陶瓷-MLCC在內容量或尺寸各有不同的16種。從上方的波形圖可以看到,當負載驟減時輸出電壓會有極大變動。其下方是變動部分的放大波形圖,視電容的種類和容量而有極大的不同。

-話雖如此,坦白說還是不太容易理解,所以我試著用繪圖來表示。

剛才也已經説明,這個例子中輸出電壓變動的主因是Vc和Vesr因此無關電容的類型,重點在於 “容量大=ESR必然小的電容將降低這種負載驟減時輸出電壓的變動”。

-MLCC的優點呢?

可以說與漣波的情況相同,積層陶瓷電容-MLCC由於ESR和ESL低,因此從這些寄生成分的觀點來看,容量即使比功能性高分子型小也可以對應,在小型化方面當然有利。容量對應上只須功能性高分子型的2/3左右即可。

-明白了,還有其他需要注意的地方嗎?

這裡所舉的例子中,負載驟減時電壓上升的第一大主因在於所使用的電源IC的控制,也就是負載驟減時的響應特性。反過來說,藉由使用立即追隨負載減少的電源IC型,這裡所顯示的現象或許在可以容許的等級內將不會有問題。

總而言之,我想說的是,如果類似現象發生的話,藉由使輸出電容的ESR變小可以對應。此外,包含漣波的情況在內,雖然ESR和ESL等寄生成分少的輸出電容較為有利,不過有些電源IC有時也會因ESR小的輸出電容而發生異常,必須充分檢討。

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