肖學(xué)棟

摘 要：越來越多的直流電壓轉(zhuǎn)換器使用陶瓷電容器作為輸出濾波的主要部分。直流電壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)特性是由反饋回路的增益和帶寬決定的，而陶瓷電容對(duì)其有改善作用。陶瓷電容產(chǎn)生更高的諧振頻率以及相位滯后，改善直流電壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。文章探討了陶瓷電容器在直流變換器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：陶瓷電容;直流變換器;應(yīng)用

以陶瓷為介質(zhì)的電容器統(tǒng)稱為陶瓷介質(zhì)電容器或簡(jiǎn)稱陶瓷電容器， 又稱瓷介電容器， 原材料豐富， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 價(jià)格低廉， 而且電容量范圍較寬， 損耗較小， 溫度系數(shù)可根據(jù)要求在很大范圍內(nèi)調(diào)整。陶瓷電容器外形尺寸相差甚大從貼片電容器到大型功率陶瓷電容器， 品種繁多， 按使用的介質(zhì)材料特性可分為Ⅰ類陶瓷介質(zhì)、Ⅱ類陶瓷介質(zhì)和半導(dǎo)體陶瓷電容器;按無(wú)功功率大小可分為低功率、高功率陶瓷電容器;按工作電壓可分為低壓和高壓陶瓷電容器;按結(jié)構(gòu)形狀可分為圓片形、管型、鼓形、瓶形、筒形等陶瓷電容器。

一般情況下， 直流變換器中電容器的選擇主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：電容、紋波 （RIPPLE） 、等效串聯(lián)電阻 （ESR） 、等效串聯(lián)電感 （ESL） 等[2]。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 一般采用鉭電容作為開關(guān)電源的外部電容， 新型陶瓷電容在許多開關(guān)電源中也可以獲取同等指標(biāo)， 并達(dá)到同樣的設(shè)計(jì)目的。本文重點(diǎn)研究和驗(yàn)證了陶瓷電容器用于開關(guān)功率負(fù)載的電源旁路電容器、高頻開關(guān)電源的輸出濾波電容器和直流變換器輸入旁路電容等場(chǎng)合的可行性， 對(duì)比分析了其與電解電容器在應(yīng)用中的性能優(yōu)劣， 合理使用陶瓷電容器有助于提高直流變換器的性能指標(biāo)。

1 用于開關(guān)功率負(fù)載的電源旁路電容器

在DC/DC變換器 （5 V輸入、12V輸出、開關(guān)頻率450 k Hz、輸入電流0.34 A、輸出電流0.12A） 的電源輸入端分別并聯(lián)100μF鋁電解電容器、33μF鉭電解電容器和2.2μF陶瓷電容器， 在DC/DC變換器的輸入端測(cè)試紋波電壓與紋波電流。

大電容的陶瓷電容器用在高頻整流濾波應(yīng)用中是有效的， 頻率在300 k Hz以上時(shí)尤為有效。

大電容的陶瓷電容器對(duì)瞬變負(fù)載所造成的電源電壓瞬變有很好的抑制作用。從電源到負(fù)載 （即測(cè)試點(diǎn)） 的導(dǎo)線長(zhǎng)度為40 cm， 這個(gè)長(zhǎng)度在電源電路與負(fù)載電路之間是常見的， 相當(dāng)于在電源與負(fù)載間串入一個(gè)至少100 n H的電感。

在沒有電容器時(shí)， 測(cè)試點(diǎn)的紋波電壓峰峰值達(dá)2.6 V， 這個(gè)峰峰值電壓對(duì)數(shù)字電路來說將會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤， 計(jì)算機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤甚至?xí)罊C(jī);接入電容器后， 由于負(fù)載的瞬變而造成的電源變化會(huì)得到有效的抑制， 在負(fù)載的電源端接47μF鋁電解電容器后， 紋波電壓峰峰值約為30 m V;接入10μF鉭電解電容器后， 紋波電壓峰峰值約為25 m V;而接入4.7μF陶瓷電容器后紋波電壓又降低了約5 m V， 很明顯陶瓷電容器在三種電容器中是最有效的， 也是電容最小的。

2 用于高頻開關(guān)電源的輸出濾波電容器

從完成開關(guān)電源的高頻輸出整流濾波功能的要求以及從電容、成本、耐高溫性、低ESR、高紋波電流、良好的高頻特性等性能綜合考慮， 陶瓷貼片電容器可能是最好的選擇。根本原因是， 陶瓷貼片電容器可以達(dá)到很高的電容， 如1210封裝可以達(dá)到100μF， 而ESR僅僅為10 mΩ， 可以承受125℃的高溫， 隨著陶瓷貼片電容器的價(jià)格越來越低， 選用陶瓷貼片電容器將會(huì)越來越廣泛。

陶瓷貼片電容器應(yīng)用最多的是DC/DC模塊， DC/DC模塊對(duì)元件價(jià)格要求相對(duì)AC/DC寬松得多。高溫使鋁電解電容器不可能應(yīng)用， 陶瓷貼片電容器與鉭電解電容器都是性能優(yōu)秀的電容器， 而陶瓷貼片電容器的ESR遠(yuǎn)低于鉭電解電容器， 在相同的體積時(shí)， 陶瓷貼片電容器將允許流過更高的紋波電流。

陶瓷貼片電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以多只疊摞起來構(gòu)成多片式陶瓷疊片電容器， 這樣不僅解決了電容的問題， 也解決了大尺寸陶瓷貼片電容器用在熱循環(huán)過程中由于與電路板的熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的斷裂問題。采用多只陶瓷貼片電容器疊摞方式， 大大減小了占用電路板的面積， 同時(shí)大大降低了寄生電感。

需要注意的是由于陶瓷貼片電容器的ESR極低， 與鉭電解電容器相比， 可能會(huì)出現(xiàn)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生比較大的電壓過調(diào)， 即穩(wěn)定性稍差。但是鋁電解電容器的高頻性能遠(yuǎn)不如陶瓷貼片電容器。通常， 將陶瓷貼片電容器并聯(lián)在輸出濾波電容器的管腳上或并接在輸出端， 可以有效降低開關(guān)過程的尖峰電壓。

3 作為輸入旁路電容

輸入旁路電容器主要作用是將DC/DC變換器開關(guān)管產(chǎn)生的“紋波電流”旁路掉， 同時(shí)避免由于輸入側(cè)的引線電感在開關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)擊穿開關(guān)管。這樣輸入電容器應(yīng)該選擇低ESR、低寄生電感、頻率特性好、可以承受較大紋波電流的電容器。

一般直流輸入的DC/DC變換器的輸入電壓通常比交流輸入電壓低得多， 同時(shí)開關(guān)頻率比較高， 這樣開關(guān)管的開關(guān)速度往往非?？?， 甚至幾十ns以下。在這樣的速度下關(guān)斷5 A電流時(shí)， 50 n H的寄生電感將產(chǎn)生5～12 V甚至25 V的感生電動(dòng)勢(shì)， 即便是100 ns， 感生電動(dòng)勢(shì)也將達(dá)到2～5 V。因此， 盡量減少開關(guān)回路的寄生電感是絕對(duì)必要的， 更要求輸入旁路電容器的寄生電感應(yīng)盡可能的小。

基于上述原因， 不能選擇普通的電解電容器， 因?yàn)槠胀娊怆娙萜鞯募纳姼写?、ESR大， 旁路性能差， 而且可承受的紋波電流小;低ESR的鋁電解電容器盡管性能上優(yōu)于普通的電解電容器， 它所適應(yīng)的開關(guān)頻率大概是20～100 k Hz， 很難適應(yīng)300 k Hz以上的開關(guān)頻率， 可以作為體積沒有嚴(yán)格要求的DC/DC變換器的輸入旁路電容器， 最好在這個(gè)低ESR電解電容器上并聯(lián)足夠大電容的陶瓷電容器;一般的鉭電解電容器的性能優(yōu)于低ESR的電解電容器， 在檔次不高的應(yīng)用中還是可以的， 但是這種電解電容器的ESR比較大， 因此不能承受較高的紋波電流， 同樣需要并聯(lián)陶瓷電容器， 有了大電容陶瓷電容器， 這種電容器不僅具有非常低的ESR， 而且寄生電感還非常低 （如100μF的陶瓷電容器可以僅僅是1206封裝） 。

電容大的鋁電解電容器在低頻段有較低的阻抗， 陶瓷電容器高頻段有較低的阻抗， 二者并聯(lián)使用可以在很寬的頻段上獲得理想的低阻抗。高頻大功率電路的旁路電容器需要旁路較大的由負(fù)載造成的“高頻交流”負(fù)載電流， 因此旁路電容器不僅要具有低的ESR， 還要有低的介質(zhì)頻率損耗。而陶瓷電容器的體積非常小， 0.1～1μF的引線式陶瓷電容器的焊盤間距僅5.08 mm， 0805封裝的貼片電容器更小， 焊接尺寸僅2 mm， 很容易印制電路板的排布組件和布線。如果選用更大電容量的陶瓷電容器 （如10、22甚至是47、100μF） 則完全可以替代鉭電解電容器。

結(jié)論

利用高性能的陶瓷電容可以縮小DC/DC變換器的體積并降低成本， 但對(duì)于旁路電容， 需要考慮它的發(fā)熱量， 如果旁路電容器發(fā)熱不嚴(yán)重， 陶瓷電容器將是最佳的選擇。如果旁路電路產(chǎn)生很高的紋波電流， 則需要考慮旁路電容器可以承受的由紋波電流導(dǎo)致的發(fā)熱而適當(dāng)選擇電容器的類型。另外， 將一個(gè)陶瓷電容與大容量的鉭電容并聯(lián)作為旁路電容， 將更有利于吸收瞬變電流， 改善系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rais Miftakhutdinov.微處理器或DSP 電源的最佳輸出濾波器設(shè)計(jì)[J].模擬應(yīng)用雜志，2000（8）：22-29.

[2]陳永真， 寧武， 孟麗囡.單管變換器及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006：46-49.