解決指南：將電解電容器替換為MLCC的指南修訂

解決指南：將電解電容器替換為MLCC的指南修訂

一直以來，鋁電解電容器和鉭電解電容器都廣泛用于需要較大電容的平滑應用和去耦應用。隨著今年來MLCC的大容量化，在電源電路中的各種電解電容器正在被MLCC取代。因為替換為MLCC可獲得諸多優(yōu)勢，比如可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間；低ESR（等效串聯(lián)電阻），可有效降低紋波電壓；自發(fā)熱更少，可提高可靠性。
值得注意的是，低ESR雖然是MLCC的優(yōu)點之一，但也會也會引起異常振蕩和反諧振。而且高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC的電容在施加直流電壓是會發(fā)生變化。
本指南將為您介紹將電解電容器替換為MLCC的優(yōu)點和注意事項。

替換為MLCC：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容器

近年來，隨著IC（集成電路）的高度集成化，電源的電壓越來越低。此外，由于IC的多功能化，功耗隨之增加，所需電流也越來越大。為了應對低電壓、大電流化的問題，分布式電源系統(tǒng)的應用日益廣泛，其中需要在負載附近部署多個小型DC-DC轉(zhuǎn)換器（POL轉(zhuǎn)換器），比如從中間母線到轉(zhuǎn)換器的IC。
DC-DC轉(zhuǎn)換器中會使用多個電容器。其中特別是用于平滑的輸出電容器所需容量較大，傳統(tǒng)上多使用鋁電解電容器和鉭電解電容器。但是，由于電解電容器的尺寸較大，所以很難減少占板空間，另外還存在紋波電流導致的自發(fā)熱大等缺點。
鑒于此，替換為MLCC是一個明智選擇。相較于電解電容器，MLCC具有更小尺寸，更低剖面和更低ESR的優(yōu)點。
圖1為電子設備中常用的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路。藍色標記部分為將電解電容器替換為MLCC的輸出電容器。

圖1：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路

各種電容器的主要特征

下面展示代表性電容器MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征。

表1：MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征

MLCC具有可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間，通過低ESR來降低紋波電壓，進而通過自發(fā)熱更少來提高可靠性等各種優(yōu)點。
另一方面，作為MLCC的優(yōu)點低ESR也會引起異常振蕩和反諧振。另外，需要注意的是，高介電常數(shù)系統(tǒng)（種類2）的MLCC具有當施加直流電壓時電容發(fā)生變化的特性。

替換為MLCC的優(yōu)點

優(yōu)點1：可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間

通過替換為比鋁電解電容器更小、更矮的MLCC，可以節(jié)省電路基板的空間。

圖2：MLCC與鋁電解電容器的尺寸比較

優(yōu)點2：自發(fā)熱更少

首先展示47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性聚合物鋁電解電容器的阻抗、ESR頻率特性。
MLCC的阻抗和ESR的特性值都很低。

圖3：各種電容器(47μF)的阻抗、ESR頻率特性

另外，電容器的自發(fā)熱量(P) 由電容器的ESR和紋波電流 (I) 通過下列公式表示。

自發(fā)熱量（P） = ESR x 電流:I2(式1)

自發(fā)熱量:由于P與ESR成比例，因此可以看出低ESR的MLCC的自發(fā)熱量小，ESR比MLCC高的各種電解電容器的自發(fā)熱量比MLCC大。
另外，電容器的產(chǎn)品壽命會受到溫度的影響。一般已知，如果使用溫度升高10℃，產(chǎn)品的壽命就會減少1/2，即“10℃2倍定律”。紋波電流導致的自發(fā)熱量變大會縮短產(chǎn)品的壽命。另外，通常鋁電解電容器的產(chǎn)品壽命約為10年。

圖4：各種電容器的自發(fā)熱量

優(yōu)點3：降低紋波電壓

?驗證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓
用下面的評價系統(tǒng)測量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
輸出電容器使用了47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器和功能性聚合物鋁電解電容器。

圖5：用各種電容器（47 μ F）驗證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

下表顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開關頻率：300kHz時的ESR。
紋波電壓和ESR都顯示出了MLCC的最低值。

表2：各種電容器（47μF）的輸出電壓波形

紋波電壓和ESR的關系用下列公式表示。通過此公式可知降低ESR對于降低紋波電壓是有效的，低ESR的MLCC是有利的。

另外，功能性聚合物鋁電解電容器在電解質(zhì)中使用導電聚合物來降低ESR，與普通鋁電解電容器相比，紋波電壓有所降低，但一般尺寸稍大，價格也高。

通過增加鋁電解電容器的電容來降低紋波電壓是否有效？

我們對鋁電解電容器的電容與紋波電壓的關系進行了評估。
首先展示MLCC 47μF和普通鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗和ESR頻率特性。

圖6：MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗、ESR頻率特性

并且，在與圖5相同的評價系統(tǒng)中，在輸出電容器中使用MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的條件下，測量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
結果顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開關頻率(300kHz)下的ESR。根據(jù)結果可知隨著鋁電解電容器的電容的增加紋波電壓降低，但降低幅度變小。

圖7：MLCC47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的輸出電壓波形

如果用式2來考慮其理由，可理解為雖然電容增加會導致紋波電壓降低，但其影響比ESR小。
因此可理解為鋁電解電容器的電容增加難以有效地降低紋波電壓。

替換為MLCC時的注意事項

關于從電解電容器替換為MLCC時的注意事項，將為您介紹直流偏置（施加直流電壓）特性，異常振蕩和反諧振。

注意事項1：直流偏置（施加直流電壓）特性

高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC具有當施加直流電壓時電容發(fā)生變化的特性，這種特性被稱為直流偏置（施加直流電壓）特性。
因此，在MLCC上施加直流電壓使用時，必須考慮直流偏置特性。

圖8：高介電常數(shù)MLCC的直流偏置特性示例

注意事項2：異常振蕩

作為MLCC的優(yōu)點的低ESR，也可能會導致DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不穩(wěn)定或異常振蕩。
DC-DC轉(zhuǎn)換器將輸出電壓與基準電壓進行比較，用誤差放大器放大其誤差部分并使其進行負反饋，從而得到相對穩(wěn)定的直流電壓。
此時，平滑電路的電感器和電容器會產(chǎn)生信號的相位延遲。相位延遲接近180°時，會變成正反饋的狀態(tài)，導致輸出電壓的不穩(wěn)定和異常振蕩。

圖9：直流-直流轉(zhuǎn)換器負反饋電路

?防止異常振蕩的相位補償

波特圖是判斷負反饋是否穩(wěn)定工作的方法。波特圖的橫軸是頻率，縱軸是增益和相位。
電感器和電容器引發(fā)的相位延遲接近180°時為正反饋，輸出趨于不穩(wěn)定。另一方面，即使相位延遲為180°，通過使增益為1以下（0dB以下），也可以收斂信號，防止異常振蕩。
因此，為了減少相位延遲，在誤差放大器的周圍連接電容器和電阻，通過消除相位延遲進行調(diào)整。這稱為相位補償。
在輸出電容器使用高ESR的鋁電解電容器的現(xiàn)有設計中沒有問題，但在低ESR的MLCC中補償不足，有時會引起異常振蕩，因此需要注意。

圖10：波特圖(增益?相位-頻率特性)

圖11：相位補償電路

另請參閱“面向電源電路的MLCC解決方案（輸出電容器的最佳結構驗證）”。

注意事項3：反諧振

此外，在去耦應用中使用低ESR的MLCC時也需要注意。
通常在大電流、低電壓下工作的IC去耦用電容器中，多個電容器并聯(lián)連接。在去耦應用中，理想情況是使用在寬頻帶下低阻抗的電容器，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
多個電容器并聯(lián)連接，通常作為大電流和低電壓下操作的IC的去耦電容器。在去耦應用中，具有寬頻帶低阻抗的電容器是理想的，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
V形底部的頻率稱為自諧振頻率（SRF）。SRF不同的MLCC并聯(lián)連接安裝后，MLCC的電容分量和寄生電感分量將形成LC并聯(lián)諧振電路。這個現(xiàn)象是反諧振。
由于反諧振會產(chǎn)生強烈的阻抗峰值，因此其頻率會降低噪聲消除效果。其結果是電源電壓不穩(wěn)定，有時會引起電路故障。

圖12：在去耦應用中并聯(lián)有多個電容器

圖13:MLCC的并聯(lián)引起的反諧振

替換為MLCC時的推薦產(chǎn)品

通過選擇您使用的電解電容器的信息，可以確認TDK MLCC的推薦產(chǎn)品。
※不保證產(chǎn)品的符合性。請客戶充分確認產(chǎn)品的適用性后使用。
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總結

隨著近來MLCC的大容量化，各種電解電容器正在被MLCC取代。
通過替換為MLCC，具有可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間，通過低ESR來降低紋波電壓，進而通過自發(fā)熱更少來提高可靠性等各種優(yōu)點。
另一方面，作為MLCC的優(yōu)點低ESR也會引起異常振蕩和反諧振。
另外，需要注意的是，高介電常數(shù)系統(tǒng)（種類2）的MLCC具有當施加直流電壓時電容發(fā)生變化的特性。
TDK擁有豐富的MLCC陣容，支持從各種電解電容器的置換。希望通過選用適合的MLCC，能夠助您提升產(chǎn)品的可靠性。

審核編輯：湯梓紅