開關(guān)電源電路特性和性質(zhì)會帶來什么影響

我們知道電容器的特性取決于材料及外殼的不同。本文將會介紹一下在實際用于開關(guān)電源電路時，其特性和性質(zhì)具體會帶來什么樣的影響。

在開關(guān)電源電路中需要有輸入電容器與輸出電容器，它們各自處理的電壓與電流的性質(zhì)是不同的。因為將輸入與輸出分開講解更容易理解，所以從輸入電容器開始說明。為慎重起見，首先簡單說明一下關(guān)于流過輸入電容器的電流。這是之后內(nèi)容的前提。

下圖是同步整流降壓型轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。從VIN看，前方的MOSFET是高邊開關(guān)，接通該高邊開關(guān)時，該高邊開關(guān)的電流波形幾乎垂直上升，流過與電感電流相同的電流。而且，斷開高邊開關(guān)并接通低邊開關(guān)時，該電流迅速變?yōu)榱?。該電流波形?a target="_blank">AC部分流過輸入電容器。

該輸入電容器的電流所產(chǎn)生的電壓（波形）因電容器的“靜電電容”之外存在的寄生成分“ESR（等效串聯(lián)電阻）”及“ESL（等效串聯(lián)電感）”的差異而不同。

簡而言之，靜電電容之外，會出現(xiàn)ESR與ESL所產(chǎn)生的影響吧。是的。因為機(jī)會難得，所以進(jìn)行稍微深入的說明?？梢杂貌ㄐ闻c公式來表示剛才所說的電容、ESR、ESL這3個要素各自的影響。為了便于理解請看下圖。

該圖表示電容器電流為矩形波時，各成分產(chǎn)生了什么樣的電壓。首先是ESR所產(chǎn)生的電壓，公式所示ESR即電阻×電流的矩形波。電容成分是電流與時間的積分，是三角波。ESL成分可以用微分來表示，在開關(guān)的時間點發(fā)生一瞬間的脈沖電壓，這可以認(rèn)為是被稱作“尖峰”等的高速脈沖性噪聲。最終在電容器兩端的電壓變動是它們3種成分的電壓之和的合成波。3種成分的合成波是評估過開關(guān)電源的人所眼熟的波形，可以簡單認(rèn)為它僅僅是把各成分的影響加在一起的產(chǎn)物嗎？基本上是這樣。而事實上這正是重要之處。例如，可以看出矩形波成分越大ESR也越大。此外，可以推測出尖峰大時，ESL較大。它們最好都是零，但是由于它們是現(xiàn)實存在的東西，評估時觀察輸入電容器的電流與電壓，從波形可以知道哪里出了問題。這是一份試驗電路的實際波形資料，請看實際波形并讓我來說明鉭電容器與疊層陶瓷電容器有怎樣的不同。

首先，試驗電路是給待評估電容器一個5V/100kHz的開關(guān)來監(jiān)測電壓與電流。電容器的容值是22μF與100μF兩種。由于鉭電容器與疊層陶瓷電容器的部件差異，ESR的差異很大。這是最初談到過的疊層陶瓷電容器的優(yōu)點之一。從ESR的比較圖中可以看出，在100kHz時，盡管疊層陶瓷電容器的容值大約只有1/5，但ESR值低了2位數(shù)。首先請看22μF鉭電容器的電壓波形。紅色箭頭所表示的幾乎垂直的電壓變化部分是ESR所產(chǎn)生的矩形波成分。由于ESR較大，它所產(chǎn)生的紋波電壓相當(dāng)大?？梢钥闯?，當(dāng)變?yōu)?00μF時，ESR所產(chǎn)生的電壓變?yōu)橐话胍韵隆Ｒ簿褪钦f，ESR變?yōu)橐话胍韵?。雖然多少觀察到了ESL所產(chǎn)生的尖峰，但是沒有超過整體的紋波電壓，可以認(rèn)為沒有ESL所產(chǎn)生的明顯問題。由于已經(jīng)看到了下側(cè)的疊層陶瓷電容器的波形，所以先問一下，波形是三角波，只能看到較小的尖峰，是因為ESR非常小，ESR所產(chǎn)生的矩形波成分幾乎沒有；ESL也比鉭電容器和導(dǎo)電性高分子材料電容器小，尖峰也很小，主要看到的是電容成分所產(chǎn)生的三角波。這樣的理解對嗎？正是如此?？梢钥闯鋈葜凳?00μF時，其三角波也變得更小，紋波電壓非常小。這里可以說的是，使用ESR與ESL較小的疊層陶瓷電容器可以使紋波電壓和波尖明顯變小。從不同角度再次觀察波形圖表可以看出，100μF的鉭電容器與22μF的疊層陶瓷電容器的紋波電壓大致相同。也就是說，如果實現(xiàn)相同水平的輸入紋波電壓，使用疊層陶瓷電容器時的一個優(yōu)點是，由于其容值較小，必然只需要較小尺寸就可以實現(xiàn)。請參考另一個使用電源IC的評估板來比較導(dǎo)電性高分子材料電容器與疊層陶瓷電容器的輸入紋波的資料。著眼點是導(dǎo)電性高分子材料電容器的容值為82μF，疊層陶瓷電容器為30μF，僅一半以下，導(dǎo)電性高分子材料電容器的ESL所產(chǎn)生的尖峰較大。還有尺寸。順便說一句，紅色圓圈所圈定的輸入電容器的左側(cè)各有2個電容器，那是輸出電容器。1個導(dǎo)電性高分子電容器的空間容納了2個疊層陶瓷電容器。這基本上是小型而且可以減少容量的結(jié)果。

轉(zhuǎn)換一下話題，當(dāng)設(shè)計電源而閱讀電源IC的技術(shù)規(guī)格時會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的技術(shù)規(guī)格中都記述了“輸入電容器選型時請注意額定紋波電流”。關(guān)于這一點，與電容的種類和特性有什么關(guān)系？“注意額定紋波電流”首先是指要使用可以容許輸入紋波電流的額定的電容器，因為輸入電容器流過的紋波電流大于輸出電容器，從這個角度看，比起輸出電容器更需要注意額定紋波電流。接著，額定紋波電流與自身發(fā)熱相關(guān)。由于電容器的ESR是電阻成分，當(dāng)紋波電流流過時會發(fā)熱。理所當(dāng)然，ESR較大時發(fā)熱量也會增大。另外，需要充分考慮輸入電容器的紋波電流較大，因此發(fā)熱量也增加的情況。對于一般的鋁電解電容器，普遍被認(rèn)為關(guān)于溫度與壽命的探討很重要，那么對于其他種類電容器是怎么樣呢？原則上思路相同。雖然程度有所不同，但隨溫度升高任何電容器包括壽命在內(nèi)的可靠性都會降低。例如，對于電解電容器和導(dǎo)電性高分子材料電容器，通常作為額定紋波電流的條件標(biāo)有100kHz時的容許電流，可以以其為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。而疊層陶瓷電容器有時會標(biāo)有略微不同的條件，ROHM公司標(biāo)明的條件是“自身發(fā)熱20℃以內(nèi)”。（最近變更為20℃）

以疊層陶瓷電容器的技術(shù)規(guī)格為例，這是通過開關(guān)頻率獲得自身發(fā)熱與容許紋波電流的圖表。此外，還建立了頻率和ESR曲線的關(guān)聯(lián)。下面的容許紋波電流圖表示對于開關(guān)頻率為10kHz、100kHz、1MHz時的紋波電流的溫度上升曲線。從圖中可以看出，比如1MHz的開關(guān)為了保證“自身發(fā)熱20℃以下”，可以容許在10℃與1MHz的曲線交匯處的大約2.8A的紋波電流。另外，從上面的頻率與ESR圖中可以讀取出條件所提出的3個頻率的ESR值。可以看出特別是DC/DC所使用的數(shù)百KHz到數(shù)MHz是ESR最低的范圍，是有助于抑制發(fā)熱的特征。對此，可以讀取出在ESR稍微變高的10kHz條件下，容許紋波電流變小。不言而喻容許紋波電流與ESR有著密切的關(guān)系，可以說ESR較小的疊層陶瓷電容器在發(fā)熱方面也極具優(yōu)勢。電源電路的輸入紋波電流是可以通過公式求得的。以降壓型轉(zhuǎn)換器為例，技術(shù)規(guī)格中應(yīng)該提出了如下的公式。