開關(guān)電源設(shè)計中疊層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)及大容量化

在構(gòu)建DC/DC轉(zhuǎn)換器時，輸入及輸出電容器與電感是與DC/DC轉(zhuǎn)換器用IC一樣重要的元器件。近年來，對于DC/DC轉(zhuǎn)換器，除了高效率外，還有低電壓大電流輸出、高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、低噪聲等多種要求。與此相對應(yīng)的是，與DC/DC轉(zhuǎn)換器用IC日益改良一樣，電容器與電感也在不斷發(fā)展。在構(gòu)建DC/DC轉(zhuǎn)換器時，電容器與電感的開發(fā)情況如何，關(guān)鍵特點是什么，就此我們采訪了日本國內(nèi)代表性的供應(yīng)商之一太陽誘電株式會社新事業(yè)推進本部的石原先生。

－在開關(guān)電源設(shè)計中，我想大家都已經(jīng)認(rèn)識到與電源用IC的選型一樣，外置元器件的選型也很重要這一事實。此次有幸獲得寶貴機會，請您詳細(xì)介紹一下作為元器件制造商的考量與相關(guān)信息。關(guān)于電容器與電感的話題，我們先從電容器開始。

近年來，從電源IC的應(yīng)用電路例來看，推薦稱為“MLCC(Multilayer Ceramic Chip Capacitor)”的疊層陶瓷電容器的越來越多。我想這是因為該產(chǎn)品在諸多方面具備優(yōu)勢，能否請您先講一些基本的信息。

的確，開關(guān)電源對疊層陶瓷電容器的需求日益增加。主要原因是其可實現(xiàn)適合于表面貼裝的形狀，在特性方面也適用于開關(guān)電源，因此作為以往電解電容器替代品的需求日益高漲。那么，首先簡單介紹一下疊層陶瓷電容器的結(jié)構(gòu)。

從公式中可以看出，真空介電常數(shù)ε0×相對介電常數(shù)εr越高，疊層數(shù)n越多，面積S越廣，1層電介質(zhì)的厚度越薄，疊層陶瓷電容器的靜電電容越高。簡單而言，通過增加高度與面積，即可增加靜電電容，但所需求的是“相對所需靜電電容，體積盡可能的小”。這就需要使每層電介質(zhì)越來越薄，使介電常數(shù)提高，增加疊層數(shù)，從而需要高超的材料技術(shù)與制造技術(shù)。

－當(dāng)談及疊層陶瓷電容器，印象里其并未能發(fā)展到較大容量，那么當(dāng)前的發(fā)展情況如何呢？

當(dāng)然是從小容值產(chǎn)品起步的，不過目前我們公司已經(jīng)能夠供應(yīng)470μF的產(chǎn)品。此外，相同容值的產(chǎn)品也實現(xiàn)了進一步小型化。這張圖是我們公司的產(chǎn)品路線圖，比較方便大家了解靜電電容、尺寸、耐壓的關(guān)系。

在使用IC的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸出電容器從數(shù)十μF到數(shù)百μF不等，覆蓋面已經(jīng)相當(dāng)廣。我想大家知道，靜電電容、尺寸、耐壓存在全部相反的關(guān)系。針對前述的“每層更薄，介電常數(shù)更高，疊層更多”課題，目前正在不斷開發(fā)。

－如果說此類電容器的容量已經(jīng)覆蓋了這個范圍，那么我覺得可以與比如聚合物類貼片電容器等相提并論了，有什么區(qū)別嗎？

的確如此。理解聚合物類即導(dǎo)電性高分子電容器與MLCC（疊層陶瓷電容器）的區(qū)別，在設(shè)計DC/DC轉(zhuǎn)換器方面非常重要。

接下來我從結(jié)構(gòu)與材料的區(qū)別開始介紹。如圖所示，在結(jié)構(gòu)方面，疊層陶瓷電容器是名副其實的疊層，而導(dǎo)電性高分子電容器的元件則以鉭或鋁等為電介質(zhì)，陰極使用導(dǎo)電性高分子與二氧化錳。使用二氧化錳的是鉭電解電容器，由于各種原因近年來已經(jīng)不怎么使用了，由于是比較基礎(chǔ)的產(chǎn)品而在此列入比較。材料因種類而異，具體請看下表。

鉭電解電容器存在電介質(zhì)的膜厚度較薄而可實現(xiàn)大容值，但陰極使用二氧化錳而等效串聯(lián)電阻ESR較高的課題。但是，使用二氧化錳，具有即使較薄的電介質(zhì)被膜破損也可自我修復(fù)的優(yōu)點。但是，由于降低ESR是重要的市場需求，使陰極使用導(dǎo)電性高分子的電容器越來越受到重視。ESR與電極的電導(dǎo)率息息相關(guān)。從表中可見，鉭電解電容的電導(dǎo)率為0.1S/cm，而使用聚吡咯的電容則高達(dá)100S/cm，電導(dǎo)率顯著改善。關(guān)于自我修復(fù)，導(dǎo)電性高分子無法自我修復(fù)，破損部分可自我隔離而繼續(xù)工作。

相對于此，疊層陶瓷電容器因電極材料而可使電導(dǎo)率非常小，因疊層結(jié)構(gòu)而可使ESR非常小，從而可實現(xiàn)較高的相對介電常數(shù)，進而朝更大容值/小型化方向發(fā)展。此外，因其電介質(zhì)被膜較厚，而具有比其他產(chǎn)品電場強度大、壽命長的優(yōu)點。關(guān)于這一點，看表中的數(shù)值即可一目了然。

編輯：hfy