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為開關調節器選擇正確類型的輸出電容器

作者:時間:2024-04-03來源:EEPW編譯收藏

電容器是降壓的重要組成部分。了解不同類型的電容器以及每種電容器如何影響調節器性能。

本文引用地址:http://www.casasmaravilha.com/article/202404/457166.htm

本系列之前的文章檢查了降壓的電氣性能,提供了初始電感器尺寸的指導,并討論了電感器電流和電感微調?,F在,在模擬和下面的示意圖(圖1)的幫助下,我們將探討電容器特性和開關模式降壓轉換器性能之間的關系。

中使用的降壓轉換器示意圖。

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?圖1。中使用的降壓轉換器示意圖。

輸出電容器用途

開關模式調節器中的電感器允許導通/截止開關動作以產生上升/下降電流波形。然而,我們需要輸出電容來存儲和釋放電荷,使得流入負載的電流和負載兩端的電壓保持穩定,盡管電感器電流(可能相當大)變化。下面的圖(圖2)顯示了當我使用一個非常小的C1值實際上消除了輸出電容器時會發生什么。

說明具有極低電容值的降壓轉換器的電壓輸出的仿真結果。

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?圖2。具有極低電容值的模擬降壓轉換器的電壓輸出。

然后我們可以看到,開關模式調節器中的輸出電容器實現了一個關鍵的濾波功能。因此,應仔細選擇該組件,同時注意電容器的類型及其電容值。本文將著重介紹電容器類型;接下來,我們將討論價值。

電容器類型

低壓電子器件中最常用的三種電容器技術是陶瓷(也稱MLCC,意為多層陶瓷電容器)、鋁電解和鉭。我總結了以下各方面的優缺點,重點介紹了開關電源相關的質量;請記住,這些都是概括性的,并且從本質上講,概括性會犧牲一定程度的精確性,以達到簡潔和簡單的目的。

陶瓷電容器

優點:成本低;低等效串聯電阻(相關說明見下一節);不極化;?緊湊型。

缺點:受壓影響;電容相對于直流偏置、溫度和時間不穩定;。

貼片鋁電解電容

優點:成本低;易于獲得,具有高電容和高額定電壓;高比。

缺點:極化;體積大的;性能隨著時間的推移而降低;高等效串聯電阻;相對運行溫度不穩定;在高頻下不那么有效。

鉭質電容器

優點:電容體積比高;緊湊型;?長期可靠性。

缺點:成本高;極化的;在高頻下不那么有效。

設計的趨勢是朝向更高的開關頻率,這允許更低的輸出電容。這使得陶瓷成為輸出電容器更可行的選擇;想要了解更多關于這個主題的信息的人可以找到我感興趣的陶瓷電容器類型指南。

總之,我發現陶瓷電容器最有用。如果有必要避免使用陶瓷,我只考慮電解鋁或鉭。

等效串聯電阻

哪個特性對您的輸出電容器類型的選擇影響最大,至少部分取決于您的優先權。然而,如果你關注的是電氣性能,那么等效串聯電阻(ESR)可能是最重要的考慮因素。

在開關模式轉換器電路中,較低的等效串聯電阻通常更好。更高的等效串聯電阻導致更高的輸出電壓紋波和更低的效率;它還可能對調節器用于維持指定輸出電壓的控制回路的穩定性產生不利影響。然而,在理論上,開關的控制回路可以設計為考慮更高的等效串聯電阻電容器,所以我們不能說更低的等效串聯電阻總是更利于穩定性。需要注意的一個重要事實是電容器等效串聯電阻在頻率上不是恒定的。需要使用與電路工作頻率相對應的等效串聯電阻值。

如果您使用的是現成的開關,數據表可能會包括示例電容器零件編號或推薦的等效串聯電阻范圍。您還可以發現模擬有助于確定成功的電容器參數,特別是在數據表指南有限或不可用的情況下,并且您可以將ESR添加到理想的電容器中,以使模擬更符合實際的電氣行為。

真實電容器的更完整模型包括等效串聯電感(ESL)和等效串聯電感(ESR)。您可以在我的旁路電容系列的第2部分中閱讀更多關于ESR和ESL的內容。

輸出紋波

下圖(圖3)給出了具有理想化輸出電容器(ESR=0Ω,ESL=0H)的圖1所示開關電路的輸出紋波。

模擬結果說明了等效串聯電阻設定為0Ω的降壓變換器的輸出紋波。

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?圖3。圖1的輸出紋波。等效電阻=0Ω。 

現在讓我們修改輸出電容器,使其行為更符合0805陶瓷電容器的行為。我們將把等效串聯電阻設置為10 mΩ,這對于我們的切換器在1.5 MHz工作頻率下的陶瓷電容器來說是一個合理的值。新的VOUT軌跡如圖4所示,其垂直軸和水平軸的設置相同,以便于進行直觀的比較。

模擬結果說明了等效串聯電阻設定為10 mΩ的降壓變換器的輸出紋波。

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?圖4。圖1的輸出紋波。等效電阻=10米Ω。

這里沒有明顯的差別,這是個好消息。這些結果表明,高品質的陶瓷電容器不會嚴重降低我們的輸出電壓。

現在讓我們將等效串聯電阻增加到400 mΩ,這是我們在1.5 MHz下運行的電解電容器或鉭電容器可能具有的電阻。圖5展示了結果:

模擬結果說明了等效串聯電阻設置為400mΩ的降壓轉換器的輸出紋波。

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?圖5。圖1的輸出紋波。等效電阻=400米Ω。

輸出紋波有顯著的增加,但并沒有什么災難性的。

低溫注意事項

如果您正在尋找災難性的退化,那么您可以在必須在非常低的溫度下運行的應用中使用電解電容器來實現。圖6給出了電解帽的等效串聯電阻隨溫度降低至室溫以下而增加的實例。

顯示電解電容器隨溫度變化的曲線圖。

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?圖6。電解電容器等效串聯電阻隨溫度變化。

因此,電解輸出電容器在20°C下提供可接受的紋波或穩定性性能在-30°C下可能完全不可接受。如果你有一個應用程序,這種低溫行為是有問題的,但不足以完全放棄電解電容器,你可以通過添加一個陶瓷電容器與電解并行。

展望:電容計算

我們已經討論了常見電容器類型的特性以及它們如何影響開關調節器的性能。在下一篇文章中,我們將著重討論輸出電容計算以及如何根據您的需要選擇正確的電容值。




關鍵詞: 開關調節器 LTspice

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