同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法 (上)
本系列文章将以转换器 IC 评估板的参考电路为主题，说明选择各种分立元件时的重要特性。在讲解过程中，通过使用 LTspice 改变元器件或元器件本身的常数，并使用仿真波形和计算值检查电路的变化，解释了特性与电路之间的关系。其中，《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法》分为上、下两篇，将解释如何选择同步整流器型降压转换器电路所需的输入/输出电容器，同时通过仿真确认电容器特性的影响。
本文为上篇，主要介绍电容器的作用、特性，以及如何选择合适的电容器。另外，本文不描述如何为转换器 IC LT8609 选择外围元件 (电容器)，它仅用作在 LTspice 上检查电容器特性的示例电路。
各电容器的作用
理想情况下，电源线中应该只有纯直流元件，但在实际电源线中，输入端会出现充电/放电产生的纹波电流以及电源集成电路开关导致的输入电压波动。此外，输出电压的纹波噪声也会在输出部分产生。输入电容器具有承受纹波电流和稳定输入电压以及降低纹波电流引起的噪声的作用。输出电容器与电感构成 LC 滤波器，以平滑输出电压，同时降低输出电压处的纹波噪声。另一方面，它具有响应负载侧的突然变化 (瞬态响应) 的作用。
在本文中，我们将研究 LT8609 同步降压稳压器评估板的原理图：DC2958A，将其分为两部分：输入电路和输出电路。输入电路中的噪声抑制电容器为 C6，输出电路中的噪声抑制电容器为 C4，如下图 (图1) 所示：
输入电容器
如下图 (图2) 所示，当电源 IC 执行开关操作时，在充电和放电过程中会产生纹波电流。由于输入电压的波动，它还会产生纹波电流。由于线路中存在寄生电感器和电阻器，该纹波电流在电源 IC 的输入电压处成为噪声。输入电容器沿分支瞬态电流的方向连接到电源线，这些电流会对接地线产生噪声。通过这种方式，输入电容器降低了这些噪声并稳定了电源 IC 的输入电压。
要点
- 允许在充电和放电过程中因电源 IC 开关而产生纹波电流，并稳定输入电压。
- 抑制由输入纹波电流引起的输入电压波动。
输出电容器
如下图 (图3) 所示，电源 IC 的 SW 输出必须通过与电感器和电容器形成 LC 滤波器来平滑处理，这是输出电容器最重要的作用。此外它还能减少 VOUT 发出的纹波噪声。即使负载发生瞬态波动，也必须响应电压波动并提供稳定的电压，这也是输出电容器的一个重要作用。
要点
- 电感器和 LC 滤波器配置以平滑输出电压。
- 降低输出电压下的纹波噪声。
- 响应负载侧的突然变化 (瞬态响应)。
电容器的特性要求
在电子电路中使用电容器时，只考虑电容是理想的，实际电容器具有寄生电阻和电感器 (线圈) 成分。电阻分量称为等效串联电阻 (ESR)，电感器分量称为等效串联电感 (ESL)。之所以缩写是 ESL 而不是 ESI，是因为在一般的电子电路中，电感器用 L 表示，等效电路如下图 (图4) 所示：
ESR 和 ESL 首先是寄生元件，它们越小越理想。因此，在选择实际的电容器时，请选择低 ESR 和低 ESL 的电容器。ESR 和 ESL 值可在数据表中找到。
具有低 ESR 和低 ESL 的电容器是多层陶瓷电容器 (MLCC)，MLCC 的结构使其能够实现比其他电容器更低的 ESR 和更低的 ESL，因此即使在高频下也可以继续作为电容器发挥作用。换句话说，MLCC 在去除高频噪声方面更有效，并形成高性能滤波器。但是，MLCC 的静电容量会随环境温度而变化。这是由于 MLCC 中使用的材料造成的，并且是所有 MLCC 都会发生的现象，无论制造商是谁。因此，MLCC 的温度特性基于日本工业标准 (JIS) 和美国电子工业协会 (EIA) 制定的标准，在这些标准中，它们分为温度补偿和高介电常数系统。静电容量的变化会因温度而异，需要根据每个特性正确使用。
对于温度补偿，温度系数的单位是 (ppm/°C)，高介电常数系统的单位是 (%)。在同步整流转换器电路中，使用高介电常数系统就足够了。例如，如果温度特性符号处于 X5R 或 X7R 表示的级别，则可以充分使用它。X5R 的电容变化率为 -55~+85°C，电容变化率为 ±15%，而 X7R 的电容变化率为 -55~+125°C，电容变化率为 ±15%。
要点
- 使用低 ESR (等效串联电阻) 和低 ESL (等效串联电感)。
- X5R (-55~+85°C，电容变化率 ±15%) 或 X7R (-55~+125°C，电容变化率 ±15%) 可以获得足够稳定的温度特性。
- 通常使用 MLCC。
MLCC 的类型
电容器有多种类型，它们根据使用的材料进行分类，例如陶瓷电容器、钽电解电容器、铝电解电容器等。MLCC 体积小，但静电容量范围广，可用于各种应用，例如降噪、电源电压平滑和滤波电路。MLCC 具有陶瓷 (电介质) 和电极的多层结构，因此可以实现小型化。MLCC 有两种类型：一种用于温度补偿，一种用于高介电常数。
用于温度补偿
由于温度变化引起的电容变化率很小，用于缓冲电路 (吸收切换 FET 开关等时产生的高频振铃的噪声抑制电路) 和软启动等时间常数电路。另一方面，原材料的相对介电常数小于高介电常数系统的相对介电常数，因此不能增加电容。
高介电常数系统
由于原材料的相对介电常数大，因此具有体积小、容量大的特点。 但是，由于温度特性范围很广，因此它被用作电源电路输入和输出的平滑电路和去耦电容器。
选择时重要的特性
额定电压
电容器指定有额定电压，施加在电容器端子之间的电压必须小于或等于额定电压。“施加电压”不仅包括正常工作条件下的施加电压，还包括浪涌电压、静电、开关开关时的脉冲和纹波电压等异常电压。在选择额定电压时，应考虑降额，并以额定电压的 70~80% 以下使用为前提进行选择。
要点
- 额定电压必须高于最大输入电压。
- 考虑降额时，在额定电压的 70~80% 以下使用。
直流偏置特性
电容器的有效静电容量值随施加电压而变化的现象称为电压特性。施加直流电压时的电压特性称为直流偏置特性，施加交流电压时的电压特性称为交流偏置特性。在同步转换器电路中，直流电压施加到电容器上，因此直流偏置特性是一个需要考虑的重要因素。
直流偏置特性是指当向电容器施加直流电压时，有效静电容量发生变化 (减小) 的现象。这种现象是使用钛酸钡铁电体的高介电常数 MLCC 所独有的，在使用电介质的陶瓷电容器或温度补偿 MLCC 以外的电容器中很少发生。特性变化的图像如下图 (图5) 所示。在高介电常数 MLCC 中，当温度特性 (X5R、Y5V 等) 不同时，直流偏置特性也会发生变化。直流偏置特性因型号而异，因此请查阅各制造商的数据表、规格书和技术说明以了解具体特性。
接下来介绍 DC 偏置特性和其他因素对静电容量产生的影响变化。
如果只考虑电容 C，那么随着频率的增加，阻抗会减小。另外，电容的差异会影响噪声消除和平滑的效果。因此，我们使用仿真来改变输入电容器 C6 的电容并检查输入电压的状态。仿真电路如图 6 所示。为了使仿真模型更接近实际电路，考虑了布线 (电缆等)，并添加了伪电阻 (R4=0.01Ω) 和电感器 (L2=100nH)。此外，考虑到电容器与 IC 的布线影响，在电容器 C6 上串联添加了电阻器 (R5=0.001Ω) 和电感器 (L3=0.01nH)。
比较输入电容 C6 在 1μF 和 10μF 时的电容。显然，10μF 更稳定。
接下来，重点检查输出电容器。尝试改变输出电容 C4 的电容值，观察输出电压的波动。仿真电路如图 8 所示。同样，为了使仿真模型更接近实际电路，考虑到从电容器到集成电路的布线影响，在电容器 C4 的串联处添加了一个电阻 (R6=0.001Ω) 和一个电感 (L4=0.01nH)。
比较电容值为 4.7µF 和 47µF 的输出电容器 C4，从下图 (图9) 可以看出，电容值为 4.7µF 时，电压升高，而电容值为 47µF 时，电压相对稳定。
要点
- 对于 MLCC (高介电常数型)，应考虑直流偏置特性，即有效电容随外加电压降低。
- 可在制造商的网页上查看直流偏置特性。
- 选择时应考虑电容减小率 (检查使用电压下的电容减小率)。
等效串联电阻：ESR
ESR 可在每个产品的数据表中找到。它在等效电路上是一个常数值，但实际上它随频率而变化。ESR 特性的图像如下图 (图10) 所示。选择标准基于 ESR 的最小值，ESR 特性也因型号而异，因此请查看各制造商的数据表、规格书和技术说明以了解具体特性。
另一方面，电容器的等效电路是由 R、L 和 C 组成的串联电路，因此它在频率响应中具有谐振点。谐振点是 L 和 C 分量相互抵消并仅成为 R 分量的频率。在谐振点处，只有 R 分量显示为阻抗，因此谐振点处的阻抗被认为等于 ESR。如果数据手册中没有描述 ESR 值或 ESR 特性，则可以根据频率特性确定 ESR。频率响应的图像如下图 (图11) 所示。这也因型号而异，因此请查看每个制造商的数据表、规格和技术说明以了解详细信息。
总结
本文主要介绍了电容器的作用、特性，以及如何选择合适的电容器。在《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法 (下)》将通过仿真，为大家介绍电容器特性的影响。欲了解关于更多 ADI 相关方案或技术信息，请与澳门人巴黎人1797当地的办事处联系或点击下方「联系我们」，提交您的需求，澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。