MLCC從2016年底開始缺貨，這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品（幾十µF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運行。如何降低MLCC的依賴？電源作為最大的用戶之一，從電源的電容要求著手是解決電容短缺問題的關(guān)鍵。

 

預(yù)計2019 年全球MLCC 出貨量約4.5 兆顆（資料來源: Paumanok）

 

電源電路常用電容的作用及類型選擇分析

 

電源鏈設(shè)計有多種方式?？梢允褂媒祲恨D(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器以及其他幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的共同點是需要表現(xiàn)出色的外部有源和無源元件才能使系統(tǒng)以最佳狀態(tài)工作。有源和無源元件的選擇對電源總體性能影響巨大。效率、產(chǎn)生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都會在某種程度上依賴于所選的外部元件。在一個典型電源設(shè)計中，電阻、電容、電感、二極管和MOSFET的選擇都決定了電源最終的性能表現(xiàn)，而電容是其中的關(guān)鍵的性能“決定者”。

 

某些電源 IC 解決方案可能只需要三個外部元件， 如 ADP2108 降壓調(diào)節(jié)器。因為它內(nèi)置電源開關(guān)，所以這種開關(guān)穩(wěn)壓器至少需要兩個電容：一個輸入電容、一個輸出電容。外部元件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電源要求。面對設(shè)計中的成本、性能和系統(tǒng)可靠性問題，設(shè)計人員必須知道哪些參數(shù)最為重要，以便選擇合適的電容。

 

典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容：

 

● 輸出電容：在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。

● 輸入電容：了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。

● 旁路電容：吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。

● 補償電容：保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補償電容。

 

以同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3411為例看典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容

 

電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶瓷電容是三種最常見的類型。像大多數(shù)設(shè)計決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權(quán)衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點是ESR較高，可達(dá)數(shù)歐姆。務(wù)必使用開關(guān)型電容，因為其ESR和ESL比通用型要低。鋁電解電容還依賴于電解質(zhì)，由于電解質(zhì)會逐漸變干，因此電容壽命較短。

 

鉭電容使用鉭粉末作為電介質(zhì)。與同等鋁電容相比，鉭電容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在100 m? 范圍內(nèi)，比鋁電容低。鉭電容不使用液態(tài)電解質(zhì)，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個原因，鉭電容在高可靠性應(yīng)用中很受歡迎。鉭電容對浪涌電流敏感，有時需要串聯(lián)電阻來限制浪涌電流。務(wù)必不要超過制造商建議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時，可能會燒毀并冒煙。

 

多層陶瓷電容(MLCC)提供極低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。MLCC的最大容值可達(dá)100 F，但隨著容值大于10 F物理尺寸和成本會增加。請注意MLCC的電壓額定值及其結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)，實際容值會隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數(shù)。依據(jù)所選的電介質(zhì)不同這種變化可能非常大。

 

壓縮電容“大戶”——輸出電容和旁路電容需求

 

如前文所述，電源中常用的四個電容是：輸出電容、輸入電容、旁路電容和補償電容。減少電容使用，從輸出電容和旁路電容入手降低電容用量或許是可行的思路。

 

輸出電容是負(fù)責(zé)在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流，一般使用幾十μF到100 μF的大電容。工程師都明白增加開關(guān)頻率的好處，對于降低電容使用來說也是似乎也是如此。但值得注意的是，開關(guān)頻率與交越頻率的關(guān)系——根據(jù)采樣定理，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定交越頻率必須小于開關(guān)頻率的1/2，可以將交越頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5（或更低）。因此提高開關(guān)頻率（對應(yīng)提高交越頻率）會導(dǎo)致兩個問題：需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩；如果它們的幅度相當(dāng)，負(fù)反饋會響應(yīng)輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運行。

 

要增加交越頻率需要同時增加開關(guān)頻率，但這會導(dǎo)致頂部和底部FET的開關(guān)損耗增加，會降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實現(xiàn)的節(jié)省會因為增加散熱元件帶來的復(fù)雜性抵消（比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間）。

 

這需要具有特別的Knowhow的方案解決這個兩難——能夠在高頻率下保持高效率。其中，ADI穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨特的FET控制功能，在更高開關(guān)頻率下也能保持高效率。對于典型的穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率增高時效率會下降，ADI的穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時（12V 輸入和5V輸出），在整個負(fù)載范圍內(nèi)（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。這個穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋 (ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓 (ΔVOUT)。

 

通過增加開關(guān)頻率來減小電容和電感的尺寸。

 

旁路電容主要被用于吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個特別簡單的方法可以實現(xiàn)這種效果，即使用Silent Switcher® 穩(wěn)壓器。

 

LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，與第一代相比IC內(nèi)部集成高頻輸入電容，這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置，無疑這也會降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會通過動態(tài)改變開關(guān)頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標(biāo)準(zhǔn)。

 

Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容，由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。

 

本文總結(jié)

 

除了上面總結(jié)的經(jīng)驗之談，還有這些要點值得注意：由于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)，MLCC電容對PCB振動敏感，所產(chǎn)生的電壓噪聲可能會擾亂PLL等敏感模擬電路，在此類敏感應(yīng)用中，不受振動影響的鉭電容可能是更好的選擇；很多時候多個電容并聯(lián)以獲得較大的電容也許是明智的，利用這種辦法可以獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設(shè)計要求。此外，值得提醒的是，電源設(shè)計很多時候是系統(tǒng)性的工程，你需要考慮的不僅僅是MLCC，還有更多其他關(guān)鍵器件和參數(shù)指標(biāo)需要兼顧，這個時候一款給力的設(shè)計工具或許才是好幫手，比如使用ADIsimPower 等在線設(shè)計工具會將這些權(quán)衡因素考慮進去，幫助您優(yōu)化設(shè)計。

 

LT8640S

 

● Silent Switcher® 2 架構(gòu)：

   ○ 在任何 PCB 均可實現(xiàn)超低 EMI / EMC 輻射

   ○ 消除了 PCB 布局敏感性

   ○ 內(nèi)部旁路電容器降低了輻射 EMI

   ○ 任選的擴展頻譜調(diào)制

● 在高頻下實現(xiàn)高效率

   ○ 在 1MHz、12VIN 至 5VOUT 轉(zhuǎn)換時達(dá) 96%

   ○ 在 2MHz、12VIN 至 5VOUT 轉(zhuǎn)換時達(dá) 95%

● 寬輸入電壓范圍：3.4V 至 42V

● 6A 最大連續(xù)電流，7A 峰值輸出

● 超低靜態(tài)電流突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作：

   ○ 2.5μA IQ，調(diào)節(jié) 12VIN 至 3.3VOUT (LT8640S)

   ○ 輸出紋波 < 10mVP-P

● 外部補償：快速瞬態(tài)響應(yīng)和均流 (LT8643S)

● 快速最小接通時間：30ns

● 在所有條件下均可提供低壓差：100mV (在 1A)

● 強制連續(xù)模式

● 可調(diào)及可同步頻率范圍：200kHz 至 3MHz

● 輸出軟起動和跟蹤

● 小外形 24 引腳 4mm x 4mm LQFN 封裝

 

 

推薦閱讀：