如何將電解電容器替換為MLCC呢？

在需要高電容的平滑應(yīng)用和去耦應(yīng)用中，傳統(tǒng)上廣泛使用鋁電解電容器和鉭電解電容器。然而，隨著MLCC容量的不斷增加，各種電源電路中的電解電容器正在逐漸被MLCC所替代。這個替換趨勢是因為MLCC帶來了多項優(yōu)勢，例如可實現(xiàn)小型化和低輪廓，有助于減少占用板空間；低ESR（等效串聯(lián)電阻），能有效減小紋波電壓；以及更低的自發(fā)熱，提高了可靠性。

需要注意的是，盡管低ESR是MLCC的優(yōu)勢之一，但也可能導(dǎo)致異常振蕩和反諧振。此外，高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC在施加直流電壓時電容值可能會發(fā)生變化。

這篇指南將為您介紹替換電解電容器為MLCC的優(yōu)勢和需要注意的事項。

替換為MLCC：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容器

近年來，隨著集成電路（IC）的高度集成化，電源電壓逐漸降低。同時，由于IC的多功能化，功耗和所需電流也不斷增加。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，分布式電源系統(tǒng)的應(yīng)用日益普及，其中需要部署多個小型DC-DC轉(zhuǎn)換器（POL轉(zhuǎn)換器），這些轉(zhuǎn)換器通常從中間電源母線到IC。

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，需要使用多個電容器，尤其是用于平滑輸出電壓的電容器需要具備較大容量，傳統(tǒng)上使用鋁電解電容器和鉭電解電容器。然而，電解電容器因其較大的尺寸而難以減少占板空間，同時還會存在由紋波電流引發(fā)的自發(fā)熱等問題。

因此，替換為MLCC是一個明智的選擇。與電解電容器相比，MLCC更小巧，更低矮，且具有更低的ESR。

圖1展示了電子設(shè)備中常見的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路。藍(lán)色標(biāo)記的部分表示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(jìn)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(dāng)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。

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(dǎo)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(guān)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(guān)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(dǎo)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(guān)系進(jìn)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(jié)果顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開關(guān)頻率(300kHz)下的ESR。根據(jù)結(jié)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(dǎo)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(guān)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(dāng)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(dǎo)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用誤差放大器放大其誤差部分并使其進(jìn)行負(fù)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(dǎo)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(fù)反饋電路

防止異常振蕩的相位補償

波特圖是判斷負(fù)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(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)驗證）”。

注意事項3：反諧振

此外，在去耦應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(rèn)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(rèn)產(chǎn)品的適用性后使用。

從電解電容器替換為MLCC時的推薦產(chǎn)品(PDF)

根據(jù)電源電路的驅(qū)動條件，提出適當(dāng)?shù)碾姼衅鳎ň€圈）和疊層陶瓷電容器。可以作為選擇更小型產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)而使用。