各因素對電容器特性的影響

《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法》分為上、下兩篇，將解釋如何選擇同步整流器型降壓轉(zhuǎn)換器電路所需的輸入/輸出電容器，同時(shí)通過仿真確認(rèn)電容器特性的影響。

本文為下篇，主要通過多個(gè)仿真，為大家介紹各因素對電容器特性的影響。關(guān)于電容器的作用、特性，以及如何選擇合適的電容器，可參閱《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法 (上)》。

ESR對實(shí)際電源電路的影響

接下來讓我們先通過仿真來了解 ESR 對實(shí)際電源電路的影響。首先，檢查 ESR 對輸入電容器 C6 的影響，下圖為仿真電路圖，比較電容為 10μF、ESR 為 1.5mΩ 和 15mΩ 的情況。從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng) ESR 為 1.5mΩ 時(shí)，電壓波動(dòng)范圍較小。

接下來觀察輸出電容器。輸出電容器 C4 的電容為 47μF，ESR 為 1.0mΩ 和 10mΩ，仿真電路如下所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng) ESR 為 1.0mΩ 時(shí)，電壓波動(dòng)范圍較小。

要點(diǎn)

MLCC 基本上選擇低 ESR。

ESR 值可以從每個(gè)制造商網(wǎng)頁上發(fā)布的 ESR 值或頻率特性來確認(rèn)。

等效串聯(lián)電感器：ESL

如前文所述，電容器的等效電路是 R、L 和 C 組成的串聯(lián)電路，因此諧振頻率 f0可通過以下公式求得：

其中，C 是電容，L 是 ESL。由于諧振頻率可以通過查看頻率特性來確定，因此可以從該方程式反向計(jì)算 ESL。

以下通過仿真來了解 ESL 如何影響實(shí)際的電源電路。首先，檢查 ESL 對輸入電容 C6 的影響。比較 0.1nH 和 1.0nH 的 10μF 電容，從仿真結(jié)果可以明顯看出，電壓波動(dòng)范圍 (紋波等) 在 0.1nH 時(shí)更小。

接下來觀察輸出電容器的變化。將 1.0nH 至 10nH 與 47μF 的輸出電容電容進(jìn)行比較，仿真電路如下圖所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng) ESL 為 1.0nH 時(shí)，電壓波動(dòng)范圍較小。

現(xiàn)在來比較一下 ESL 對輸入和輸出電容的影響。當(dāng)電流流經(jīng)電路中的電感器時(shí)，會產(chǎn)生電壓變化，用 L (di/dt) 表示。電流變化 (di/dt) 越大，電壓波動(dòng)越大。為了將電壓波動(dòng)降至最低，必須盡可能減少電路中的電感元件 (電容器的 ESL 和布線的寄生電感)。為此，使用了低 ESL 電容器，盡可能縮短了電容器的安裝模式，并盡可能減少布線中的寄生電感器。流經(jīng)輸入側(cè)的電流 Iin (=I (L2) + I (R5)) 是脈沖電流，如下圖所示：

另一方面，電源 IC 的 SW 引腳的輸出是 PWM 波形，PWM 波形由電感器和電容器平滑處理，此時(shí)，流經(jīng) L1 的電流 IL 變?yōu)槿遣?，如下圖。雖然與流經(jīng)輸入側(cè)的電流相比，電流變化很小，但輸出電容器即使流過這樣的三角波電流，也必須以盡可能小的波動(dòng)向負(fù)載供電。

下面比較輸入側(cè)和輸出側(cè)的電流波形，輸入側(cè)的電流變化呈脈沖狀，而輸出側(cè)的電流變化呈三角波形。由于輸入側(cè)電流值的變化率 (單位時(shí)間內(nèi)的電流量變化量) 比輸出側(cè)大得多，因此可以看出寄生電感對 ESL 和電容器安裝模式的影響在輸入側(cè)比在輸出側(cè)更大。

要點(diǎn)

MLCC 基于低 ESL。

ESL 值可以從每個(gè)制造商網(wǎng)頁上列出的頻率響應(yīng)中確認(rèn)。

ESL 值對輸入端有很大影響。

瞬態(tài)響應(yīng)

接下來觀察輸出電容器在負(fù)載突然變化時(shí)的作用。輸出電容器還起到抑制負(fù)載突然波動(dòng)時(shí)發(fā)生的電壓波動(dòng)的作用，設(shè)置 C4 的電容為 4.7μF / 47μF / 100μF。在 3 種類型中，檢查載荷突然變化時(shí)仿真中的瞬態(tài)響應(yīng)。負(fù)載是電流源的負(fù)載，負(fù)載電流急劇流動(dòng)，仿真電路如下：

負(fù)載波動(dòng)：1A 電流陡然上升，流動(dòng) 100μs 后陡然下降

負(fù)載變化為 1A，上升和下降時(shí)間設(shè)置為 0，變化陡峭，承載負(fù)載電流的時(shí)間為 100μs。在仿真結(jié)果圖中，負(fù)載電流以綠色顯示。從這個(gè)結(jié)果可以看出，電容越大，電壓波動(dòng)越小，但波動(dòng)需要更長的時(shí)間才能消退。

負(fù)載波動(dòng)：增加 1A 電流，流過 100μs，然后慢慢降低

在 C4 電容的相同條件下，對負(fù)載電流以 100μs 的速度上升和 100us 的速度下降進(jìn)行了仿真，負(fù)載電流流動(dòng)時(shí)間也是 100μs。同樣，電容越高，電壓波動(dòng)越慢。

要點(diǎn)

為了在負(fù)載波動(dòng)較大時(shí)抑制電壓波動(dòng)，請選擇較大的靜電容量。

輸入電容器的位置

從電容器到 IC 的布線也會影響電壓波動(dòng)，因此電容器應(yīng)靠近電源 IC 配置。在上篇圖 6 中，考慮到從電容器到 IC 的布線的影響，在電容器 C6 上串聯(lián)了一個(gè)電阻器 (R5 = 0.001Ω) 和一個(gè)電感器 (L3 = 0.01nH)，因此可以嘗試分別改變電阻器和電感器的部分，并檢查電壓波動(dòng)的影響。

電阻的影響

如果將 R5 的值更改為 0.001Ω、0.01Ω 和 0.1Ω，并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。0.001Ω 和 0.01Ω 之間沒有明顯差異，但 0.1Ω 時(shí)電壓明顯波動(dòng)。

電感器的影響

將 L3 值更改為 0.01nH 和 0.1nH 并運(yùn)行仿真，與 0.01nH 相比，可以看出電壓在 0.1nH 處波動(dòng)更為明顯。

要點(diǎn)

對于輸入電容器，將其放置在電源 IC 附近很重要。

總結(jié)

本文通過多個(gè)仿真，為大家介紹了各因素對電容器特性的影響。