陶瓷電容器在直流變換器中的應用

肖學棟

摘 要：越來越多的直流電壓轉換器使用陶瓷電容器作為輸出濾波的主要部分。直流電壓轉換器的瞬態(tài)特性是由反饋回路的增益和帶寬決定的，而陶瓷電容對其有改善作用。陶瓷電容產生更高的諧振頻率以及相位滯后，改善直流電壓轉換器的穩(wěn)定運行。文章探討了陶瓷電容器在直流變換器中的應用。

關鍵詞：陶瓷電容;直流變換器;應用

以陶瓷為介質的電容器統(tǒng)稱為陶瓷介質電容器或簡稱陶瓷電容器， 又稱瓷介電容器， 原材料豐富， 結構簡單， 價格低廉， 而且電容量范圍較寬， 損耗較小， 溫度系數可根據要求在很大范圍內調整。陶瓷電容器外形尺寸相差甚大從貼片電容器到大型功率陶瓷電容器， 品種繁多， 按使用的介質材料特性可分為Ⅰ類陶瓷介質、Ⅱ類陶瓷介質和半導體陶瓷電容器;按無功功率大小可分為低功率、高功率陶瓷電容器;按工作電壓可分為低壓和高壓陶瓷電容器;按結構形狀可分為圓片形、管型、鼓形、瓶形、筒形等陶瓷電容器。

一般情況下， 直流變換器中電容器的選擇主要考慮以下幾個參數：電容、紋波 （RIPPLE） 、等效串聯電阻 （ESR） 、等效串聯電感 （ESL） 等[2]。在傳統(tǒng)設計中， 一般采用鉭電容作為開關電源的外部電容， 新型陶瓷電容在許多開關電源中也可以獲取同等指標， 并達到同樣的設計目的。本文重點研究和驗證了陶瓷電容器用于開關功率負載的電源旁路電容器、高頻開關電源的輸出濾波電容器和直流變換器輸入旁路電容等場合的可行性， 對比分析了其與電解電容器在應用中的性能優(yōu)劣， 合理使用陶瓷電容器有助于提高直流變換器的性能指標。

1 用于開關功率負載的電源旁路電容器

在DC/DC變換器 （5 V輸入、12V輸出、開關頻率450 k Hz、輸入電流0.34 A、輸出電流0.12A） 的電源輸入端分別并聯100μF鋁電解電容器、33μF鉭電解電容器和2.2μF陶瓷電容器， 在DC/DC變換器的輸入端測試紋波電壓與紋波電流。

大電容的陶瓷電容器用在高頻整流濾波應用中是有效的， 頻率在300 k Hz以上時尤為有效。

大電容的陶瓷電容器對瞬變負載所造成的電源電壓瞬變有很好的抑制作用。從電源到負載 （即測試點） 的導線長度為40 cm， 這個長度在電源電路與負載電路之間是常見的， 相當于在電源與負載間串入一個至少100 n H的電感。

在沒有電容器時， 測試點的紋波電壓峰峰值達2.6 V， 這個峰峰值電壓對數字電路來說將會出現邏輯錯誤， 計算機可能會出現程序錯誤甚至會死機;接入電容器后， 由于負載的瞬變而造成的電源變化會得到有效的抑制， 在負載的電源端接47μF鋁電解電容器后， 紋波電壓峰峰值約為30 m V;接入10μF鉭電解電容器后， 紋波電壓峰峰值約為25 m V;而接入4.7μF陶瓷電容器后紋波電壓又降低了約5 m V， 很明顯陶瓷電容器在三種電容器中是最有效的， 也是電容最小的。

2 用于高頻開關電源的輸出濾波電容器

從完成開關電源的高頻輸出整流濾波功能的要求以及從電容、成本、耐高溫性、低ESR、高紋波電流、良好的高頻特性等性能綜合考慮， 陶瓷貼片電容器可能是最好的選擇。根本原因是， 陶瓷貼片電容器可以達到很高的電容， 如1210封裝可以達到100μF， 而ESR僅僅為10 mΩ， 可以承受125℃的高溫， 隨著陶瓷貼片電容器的價格越來越低， 選用陶瓷貼片電容器將會越來越廣泛。

陶瓷貼片電容器應用最多的是DC/DC模塊， DC/DC模塊對元件價格要求相對AC/DC寬松得多。高溫使鋁電解電容器不可能應用， 陶瓷貼片電容器與鉭電解電容器都是性能優(yōu)秀的電容器， 而陶瓷貼片電容器的ESR遠低于鉭電解電容器， 在相同的體積時， 陶瓷貼片電容器將允許流過更高的紋波電流。

陶瓷貼片電容器的另一個優(yōu)點是可以多只疊摞起來構成多片式陶瓷疊片電容器， 這樣不僅解決了電容的問題， 也解決了大尺寸陶瓷貼片電容器用在熱循環(huán)過程中由于與電路板的熱膨脹系數不同所導致的斷裂問題。采用多只陶瓷貼片電容器疊摞方式， 大大減小了占用電路板的面積， 同時大大降低了寄生電感。

需要注意的是由于陶瓷貼片電容器的ESR極低， 與鉭電解電容器相比， 可能會出現在負載突變時產生比較大的電壓過調， 即穩(wěn)定性稍差。但是鋁電解電容器的高頻性能遠不如陶瓷貼片電容器。通常， 將陶瓷貼片電容器并聯在輸出濾波電容器的管腳上或并接在輸出端， 可以有效降低開關過程的尖峰電壓。

3 作為輸入旁路電容

輸入旁路電容器主要作用是將DC/DC變換器開關管產生的“紋波電流”旁路掉， 同時避免由于輸入側的引線電感在開關關斷時產生感生電動勢擊穿開關管。這樣輸入電容器應該選擇低ESR、低寄生電感、頻率特性好、可以承受較大紋波電流的電容器。

一般直流輸入的DC/DC變換器的輸入電壓通常比交流輸入電壓低得多， 同時開關頻率比較高， 這樣開關管的開關速度往往非?？?， 甚至幾十ns以下。在這樣的速度下關斷5 A電流時， 50 n H的寄生電感將產生5～12 V甚至25 V的感生電動勢， 即便是100 ns， 感生電動勢也將達到2～5 V。因此， 盡量減少開關回路的寄生電感是絕對必要的， 更要求輸入旁路電容器的寄生電感應盡可能的小。

基于上述原因， 不能選擇普通的電解電容器， 因為普通電解電容器的寄生電感大、ESR大， 旁路性能差， 而且可承受的紋波電流小;低ESR的鋁電解電容器盡管性能上優(yōu)于普通的電解電容器， 它所適應的開關頻率大概是20～100 k Hz， 很難適應300 k Hz以上的開關頻率， 可以作為體積沒有嚴格要求的DC/DC變換器的輸入旁路電容器， 最好在這個低ESR電解電容器上并聯足夠大電容的陶瓷電容器;一般的鉭電解電容器的性能優(yōu)于低ESR的電解電容器， 在檔次不高的應用中還是可以的， 但是這種電解電容器的ESR比較大， 因此不能承受較高的紋波電流， 同樣需要并聯陶瓷電容器， 有了大電容陶瓷電容器， 這種電容器不僅具有非常低的ESR， 而且寄生電感還非常低 （如100μF的陶瓷電容器可以僅僅是1206封裝） 。

電容大的鋁電解電容器在低頻段有較低的阻抗， 陶瓷電容器高頻段有較低的阻抗， 二者并聯使用可以在很寬的頻段上獲得理想的低阻抗。高頻大功率電路的旁路電容器需要旁路較大的由負載造成的“高頻交流”負載電流， 因此旁路電容器不僅要具有低的ESR， 還要有低的介質頻率損耗。而陶瓷電容器的體積非常小， 0.1～1μF的引線式陶瓷電容器的焊盤間距僅5.08 mm， 0805封裝的貼片電容器更小， 焊接尺寸僅2 mm， 很容易印制電路板的排布組件和布線。如果選用更大電容量的陶瓷電容器 （如10、22甚至是47、100μF） 則完全可以替代鉭電解電容器。

結論

利用高性能的陶瓷電容可以縮小DC/DC變換器的體積并降低成本， 但對于旁路電容， 需要考慮它的發(fā)熱量， 如果旁路電容器發(fā)熱不嚴重， 陶瓷電容器將是最佳的選擇。如果旁路電路產生很高的紋波電流， 則需要考慮旁路電容器可以承受的由紋波電流導致的發(fā)熱而適當選擇電容器的類型。另外， 將一個陶瓷電容與大容量的鉭電容并聯作為旁路電容， 將更有利于吸收瞬變電流， 改善系統(tǒng)性能。

參考文獻：

[1]Rais Miftakhutdinov.微處理器或DSP 電源的最佳輸出濾波器設計[J].模擬應用雜志，2000（8）：22-29.

[2]陳永真， 寧武， 孟麗囡.單管變換器及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2006：46-49.