开关电源的MLCC输入/输出电容器向混合电容器置换的事例

开关电源的MLCC输入/输出电容器向混合电容器置换的事例

2018-12-10

前言

近年来,作为开关电源电路的输入电容器或输出电容器使用MLCC(层叠陶瓷电容器)的情形愈来愈多。ESR和ESL特性优异的MLCC对开关电源来说是有用的,但这不意味着不存在容值,器件个数,成本等课题。这里介绍用导电性聚合物混合铝电解电容器(下称混合电容器)来置换此类MLCC的事例。

置换被用于开关电源电路的输入电容器的MLCC

开关电源电路的输入端一般需要被称作CIN的输入电容器。输入电容器发挥着这样的作用,它能吸收功率晶体管开关引起的放电和来自输入电源的充电引起的纹波电流、及输入电压的变动引起的纹波电流等电流,稳定地保持输入电压,减轻因这些因素而引发的噪声。因此,要求输入电容器具备对应开关电流的纹波电流额定值、也包括发热在内的温度额定值、低ESR(等效串联电阻)等特性,一般使用MLCC和铝电解电容器等电容器。小型尺寸的MLCC,因其ESR特性、ESL(等效串联电感)特性尤其优异而被作为输入电容器来使用,根据电源电路的频率特性可从MLCC向混合电容器置换。

混合电容器是使导电性聚合物和电解液融合于电解质的电容器。这种电容器兼备导电性聚合物和电解液这两者的优异特性,具有大电容、低ESR、低漏电流、高可靠的特点。

・置换MLCC的事例:车载ECU(Body控制单元)内的降压DC/DC转换器

車載ECU(Body制御ユニット)内の降圧DC/DCコンバータ,车载ECU(Body控制单元)内的降压DC/DC转换器 graph

这里列出用混合电容器来置换开关电源电路的输入电容器MLCC的事例。此降压DC/DC转换器的开关频率为100kHz~300kHz,输入电容器曾使用2个静电电容比较大的MLCC,50V 10µF(3225mm)。如今则可以用1个50V 22µF(Φ6.3×5.8mm)的混合电容器来置换。

MLCC 50V 10uF x 2pcs (3.2x2.5mm) graph
MLCC
50V 10uF x 2pcs
(3.2x2.5mm)
ハイブリッドコンデンサ,混合电容器 50V 22uF x 1pc (Φ6.3x5.8mm) graph
混合电容器
50V 22uF x 1pc
(Φ6.3x5.8mm)

如右上的频率特性图形所示,之所以能够进行如此置换,是因为在作为此降压DC/DC转换器的开关频率100kHz~300kHz的范围内,此混合电容器的阻抗与原先的MLCC同等或在其以下。

但是,从图形中可以推测,MLCC的阻抗在高频区域低,高频噪声的削减效果更大。如果实际上是高频噪声的问题,则可通过追加在解耦合等中通常被使用的小容量的MLCC来设法降低高频区域的阻抗。

右下的图形所示为对混合电容器分别追加了1个0.1µF和1个4.7µF的MLCC而得到的频率特性,可以看出高频区域的阻抗得到了改善。

频率特性比较 混合电容器 vs. MLCC

周波数特性比較 ハイブリッドvs.MLCCのグラフ,频率特性比较 混合电容器 vs. MLCC graph img

置换被用于开关电源电路的输出电容器的MLCC

开关电源电路的输出需要输出电容器(COUT),譬如在降压DC/DC转换器中构成输出的电感器和LC滤波器,使得输出电压平滑。输出电容器通过以输出电流为中点的开关来反复进行三角形波脉动电流(电感器电流)的充放电。为了降低开关电源的输出纹波电压,采取了这样的方法:对输出电容器降低ESR,增加静电电容。此外,输出纹波电压单纯地与纹波电流和ESR成正比,所以ESR是一个重要的因素。输出电容器一般使用MLCC和铝电解电容器等电容器。MLCC的关键是在输出电容器上ESR特性、ESL特性同样优异。与输入电容器一样,可根据电源电路的频率特性从MLCC向混合电容器置换。

・置换MLCC的事例:电动车的绝缘型降压DC/DC转换器

EV車の絶縁型降圧DC/DCコンバータ,电动车的绝缘型降压DC/DC转换器 graph

此事例中,将电动车的绝缘型降压DC/DC转换器的输出电容器从MLCC+铝电解电容器的构成置换为混合电容器构成。原先的输出电容器构成是,并联连接有40个25V 10µF(3216尺寸)的MLCC,还并联连接有2个25V 330µF(Φ10×10.2mm)的铝电解电容器。如今则可用12个25V 330µF(Φ10×10.2mm)的混合电容器并联连接的构成来进行置换。

MLCC 25V10uFx40pcs (3.2x1.6mm) graph
MLCC
25V10uFx40pcs
(3.2x1.6mm)
MLCC graph
E-Cap 25V330uFx2pcs (Φ10x10.2mm) graph
铝电解电容器
25V330uFx2pcs
(Φ10x10.2mm)
ハイブリッドコンデンサ,混合电容器 25V330uFx12pcs (Φ10x10.2mm) graph
混合电容器
25V330uFx12pcs
(Φ10x10.2mm)

之所以能够进行如此置换,是因为此绝缘型降压DC/DC转换器的开关频率为100kHz~300kHz,此频带的混合电容器构成的ESR和阻抗与原先的MLCC+铝电解电容器构成同等或在其以下。

图形所示为原先的MLCC+铝电解电容器构成(黑)和经过置换的混合电容器构成(粉红)的频率特性,各实线表示阻抗,虚线表示ESR特性。DC/DC转换器在开关频率范围100kHz~300kHz时,混合电容器方案在ESR和阻抗方面均具有优势。在高频噪声成为问题时,如在输入电容器的置换中所示的那样,可采取追加小电容的MLCC的措施。

频率特性比较 混合电容器 vs. MLCC

周波数特性比較 ハイブリッド, 频率特性比较 混合电容器 vs.MLCCのグラフ img

小结

这里介绍了用混合电容器来置换被作为开关电源电路的输入电容器或输出电容器使用的MLCC的事例。输入电容器和输出电容器中,各个事例的电源电路的开关频率都是100kHz~300kHz,能够实现替代的理由是在此频带内可将混合电容器构成的阻抗和ESR降至与原先的MLCC构成同等或其以下。任何情况下都必须符合作为整个电源电路的噪声和EMI要求,本次我们列出了可通过混合电容器来置换大容值MLCC的可能性。

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