開(kāi)關(guān)電源電路特性和性質(zhì)會(huì)帶來(lái)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(huì)介紹一下在實(shí)際用于開(kāi)關(guān)電源電路時(shí)，其特性和性質(zhì)具體會(huì)帶來(lái)什么樣的影響。

在開(kāi)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?yàn)閷⑤斎肱c輸出分開(kāi)講解更容易理解，所以從輸入電容器開(kāi)始說(shuō)明。為慎重起見(jiàn)，首先簡(jiǎn)單說(shuō)明一下關(guān)于流過(guò)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(kāi)關(guān)，接通該高邊開(kāi)關(guān)時(shí)，該高邊開(kāi)關(guān)的電流波形幾乎垂直上升，流過(guò)與電感電流相同的電流。而且，斷開(kāi)高邊開(kāi)關(guān)并接通低邊開(kāi)關(guān)時(shí)，該電流迅速變?yōu)榱?。該電流波形?a target="_blank">AC部分流過(guò)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(jiǎn)而言之，靜電電容之外，會(huì)出現(xiàn)ESR與ESL所產(chǎn)生的影響吧。是的。因?yàn)闄C(jī)會(huì)難得，所以進(jìn)行稍微深入的說(shuō)明?？梢杂貌ㄐ闻c公式來(lái)表示剛才所說(shuō)的電容、ESR、ESL這3個(gè)要素各自的影響。為了便于理解請(qǐng)看下圖。

該圖表示電容器電流為矩形波時(shí)，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(shí)間的積分，是三角波。ESL成分可以用微分來(lái)表示，在開(kāi)關(guān)的時(shí)間點(diǎn)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(dòng)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(píng)估過(guò)開(kāi)關(guān)電源的人所眼熟的波形，可以簡(jiǎn)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(shí)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(cè)出尖峰大時(shí)，ESL較大。它們最好都是零，但是由于它們是現(xiàn)實(shí)存在的東西，評(píng)估時(shí)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(wèn)題。這是一份試驗(yàn)電路的實(shí)際波形資料，請(qǐng)看實(shí)際波形并讓我來(lái)說(shuō)明鉭電容器與疊層陶瓷電容器有怎樣的不同。

首先，試驗(yàn)電路是給待評(píng)估電容器一個(gè)5V/100kHz的開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)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(guò)的疊層陶瓷電容器的優(yōu)點(diǎn)之一。從ESR的比較圖中可以看出，在100kHz時(shí)，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(qǐng)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?？梢钥闯觯?dāng)變?yōu)?00μF時(shí)，ESR所產(chǎn)生的電壓變?yōu)橐话胍韵隆Ｒ簿褪钦f(shuō)，ESR變?yōu)橐话胍韵隆ｋm然多少觀察到了ESL所產(chǎn)生的尖峰，但是沒(méi)有超過(guò)整體的紋波電壓，可以認(rèn)為沒(méi)有ESL所產(chǎn)生的明顯問(wèn)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(wèn)一下，波形是三角波，只能看到較小的尖峰，是因?yàn)镋SR非常小，ESR所產(chǎn)生的矩形波成分幾乎沒(méi)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(duì)嗎？正是如此?？梢钥闯鋈葜凳?00μF時(shí)，其三角波也變得更小，紋波電壓非常小。這里可以說(shuō)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(shuō)，如果實(shí)現(xiàn)相同水平的輸入紋波電壓，使用疊層陶瓷電容器時(shí)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于其容值較小，必然只需要較小尺寸就可以實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)參考另一個(gè)使用電源IC的評(píng)估板來(lái)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(diǎn)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(shuō)一句，紅色圓圈所圈定的輸入電容器的左側(cè)各有2個(gè)電容器，那是輸出電容器。1個(gè)導(dǎo)電性高分子電容器的空間容納了2個(gè)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(jì)電源而閱讀電源IC的技術(shù)規(guī)格時(shí)會(huì)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(shí)請(qǐng)注意額定紋波電流”。關(guān)于這一點(diǎn)，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?yàn)檩斎腚娙萜髁鬟^(guò)的紋波電流大于輸出電容器，從這個(gè)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(guò)時(shí)會(huì)發(fā)熱。理所當(dāng)然，ESR較大時(shí)發(fā)熱量也會(huì)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(duì)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(duì)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(huì)降低。例如，對(duì)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(shí)的容許電流，可以以其為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而疊層陶瓷電容器有時(shí)會(huì)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(guò)開(kāi)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(duì)于開(kāi)關(guān)頻率為10kHz、100kHz、1MHz時(shí)的紋波電流的溫度上升曲線。從圖中可以看出，比如1MHz的開(kāi)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(gè)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(duì)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(shuō)ESR較小的疊層陶瓷電容器在發(fā)熱方面也極具優(yōu)勢(shì)。電源電路的輸入紋波電流是可以通過(guò)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。