为开关调节器选择正确类型的输出电容器

元件/连接器 时间:2024-04-03来源:EEPW编译

电容器是降压开关调节器的重要组成部分。了解不同类型的电容器以及每种电容器如何影响调节器性能。

本系列之前的文章检查了降压开关调节器的电气性能,提供了初始电感器尺寸的指导,并讨论了电感器电流和电感微调。现在,在LTspice模拟和下面的示意图(图1)的帮助下,我们将探讨电容器特性和开关模式降压转换器性能之间的关系。

LTspice中使用的降压转换器示意图。

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•图1。LTspice中使用的降压转换器示意图。

输出电容器用途

开关模式调节器中的电感器允许导通/截止开关动作以产生上升/下降电流波形。然而,我们需要输出电容来存储和释放电荷,使得流入负载的电流和负载两端的电压保持稳定,尽管电感器电流(可能相当大)变化。下面的图(图2)显示了当我使用一个非常小的C1值实际上消除了输出电容器时会发生什么。

说明具有极低电容值的降压转换器的电压输出的仿真结果。

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•图2。具有极低电容值的模拟降压转换器的电压输出。

然后我们可以看到,开关模式调节器中的输出电容器实现了一个关键的滤波功能。因此,应仔细选择该组件,同时注意电容器的类型及其电容值。本文将着重介绍电容器类型;接下来,我们将讨论价值。

电容器类型

低压电子器件中最常用的三种电容器技术是陶瓷(也称MLCC,意为多层陶瓷电容器)、铝电解和钽。我总结了以下各方面的优缺点,重点介绍了开关电源相关的质量;请记住,这些都是概括性的,并且从本质上讲,概括性会牺牲一定程度的精确性,以达到简洁和简单的目的。

陶瓷电容器

优点:成本低;低等效串联电阻(相关说明见下一节);不极化;•紧凑型。

缺点:受压影响;电容相对于直流偏置、温度和时间不稳定;。

贴片铝电解电容

优点:成本低;易于获得,具有高电容和高额定电压;高比。

缺点:极化;体积大的;性能随着时间的推移而降低;高等效串联电阻;相对运行温度不稳定;在高频下不那么有效。

钽质电容器

优点:电容体积比高;紧凑型;•长期可靠性。

缺点:成本高;极化的;在高频下不那么有效。

开关调节器设计的趋势是朝向更高的开关频率,这允许更低的输出电容。这使得陶瓷成为输出电容器更可行的选择;想要了解更多关于这个主题的信息的人可以找到我感兴趣的陶瓷电容器类型指南。

总之,我发现陶瓷电容器最有用。如果有必要避免使用陶瓷,我只考虑电解铝或钽。

等效串联电阻

哪个特性对您的输出电容器类型的选择影响最大,至少部分取决于您的优先权。然而,如果你关注的是电气性能,那么等效串联电阻(ESR)可能是最重要的考虑因素。

在开关模式转换器电路中,较低的等效串联电阻通常更好。更高的等效串联电阻导致更高的输出电压纹波和更低的效率;它还可能对调节器用于维持指定输出电压的控制回路的稳定性产生不利影响。然而,在理论上,开关的控制回路可以设计为考虑更高的等效串联电阻电容器,所以我们不能说更低的等效串联电阻总是更利于稳定性。需要注意的一个重要事实是电容器等效串联电阻在频率上不是恒定的。需要使用与电路工作频率相对应的等效串联电阻值。

如果您使用的是现成的开关,数据表可能会包括示例电容器零件编号或推荐的等效串联电阻范围。您还可以发现模拟有助于确定成功的电容器参数,特别是在数据表指南有限或不可用的情况下,并且您可以将ESR添加到理想的电容器中,以使模拟更符合实际的电气行为。

真实电容器的更完整模型包括等效串联电感(ESL)和等效串联电感(ESR)。您可以在我的旁路电容系列的第2部分中阅读更多关于ESR和ESL的内容。

输出纹波

下图(图3)给出了具有理想化输出电容器(ESR=0Ω,ESL=0H)的图1所示开关电路的输出纹波。

模拟结果说明了等效串联电阻设定为0Ω的降压变换器的输出纹波。

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•图3。图1的输出纹波。等效电阻=0Ω。 

现在让我们修改输出电容器,使其行为更符合0805陶瓷电容器的行为。我们将把等效串联电阻设置为10 mΩ,这对于我们的切换器在1.5 MHz工作频率下的陶瓷电容器来说是一个合理的值。新的VOUT轨迹如图4所示,其垂直轴和水平轴的设置相同,以便于进行直观的比较。

模拟结果说明了等效串联电阻设定为10 mΩ的降压变换器的输出纹波。

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•图4。图1的输出纹波。等效电阻=10米Ω。

这里没有明显的差别,这是个好消息。这些结果表明,高品质的陶瓷电容器不会严重降低我们的输出电压。

现在让我们将等效串联电阻增加到400 mΩ,这是我们在1.5 MHz下运行的电解电容器或钽电容器可能具有的电阻。图5展示了结果:

模拟结果说明了等效串联电阻设置为400mΩ的降压转换器的输出纹波。

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•图5。图1的输出纹波。等效电阻=400米Ω。

输出纹波有显著的增加,但并没有什么灾难性的。

低温注意事项

如果您正在寻找灾难性的退化,那么您可以在必须在非常低的温度下运行的应用中使用电解电容器来实现。图6给出了电解帽的等效串联电阻随温度降低至室温以下而增加的实例。

显示电解电容器随温度变化的曲线图。

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•图6。电解电容器等效串联电阻随温度变化。

因此,电解输出电容器在20°C下提供可接受的纹波或稳定性性能在-30°C下可能完全不可接受。如果你有一个应用程序,这种低温行为是有问题的,但不足以完全放弃电解电容器,你可以通过添加一个陶瓷电容器与电解并行。

展望:电容计算

我们已经讨论了常见电容器类型的特性以及它们如何影响开关调节器的性能。在下一篇文章中,我们将着重讨论输出电容计算以及如何根据您的需要选择正确的电容值。


关键词: 开关调节器 LTspice

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