电源设计小贴士51:了解电容器的寄生效应

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大家好 我是德州仪器资深电源工程师Jack Zhang 欢迎来到电源小贴士 表中给出了三种不同类型的电容 以及各种电容的寄生参数 从中我们可以看到 每种电容都有自身的优势 比如 瓷片电容的寄生电阻和寄生电感 都非常小 但是容值较小 铝电解电容一方面容值很大 我不确定它是否更便宜 另一方面 它的寄生电阻和寄生电感 比瓷片电容大得多 这将会导致铝电解电容的高频特性比较差 铝聚合物电容基本是介于两者之间 它有一定的容值 寄生电阻ESR 介于瓷片电容和铝电解电容之间 寄生电感通常也都介于 瓷片电容和铝电解电容之间 那么 三种参数在频域中意味着什么呢 图中给出了三种电容的频率阻抗特性 蓝色代表瓷片电容 红色代表铝电解电容 绿色代表铝聚合物电容 对于瓷片电容 我们可以看到 它的阻抗比其他两种电容高很多 它的转折频率高至500KHz 所以在500KHz附近 瓷片电容的阻抗更低 这就意味着 在这个频率范围 瓷片电容的滤波性能更好 所以 当你的变换器工作在500KHz左右时 使用瓷片电容的滤波效果 要明显优于其他两种电容 红色是铝电解电容的频率阻抗特性 铝电解电容的容值 明显比瓷片电容大很多 低频时 你可以看到 几乎两个数量级的阻抗差异 我们可以发现主频段的阻抗受限于ESR 并抑制延伸至500KHz范围 500KHz范围以上时 寄生电感占主导地位 最后 绿色是聚合物电容的频率阻抗特性 它介于瓷片电容和铝电解电容之间 你会发现在中频时 铝聚合物电容的阻抗最低 而这段频率正是开关频率的工作频率范围 如果电路中使用铝聚合物电容 可以取得很好的滤波效果 综上 如果开关频率比较低 可以选择铝电解电容频率很高 瓷片电容将是合适的选择 输出电容的阻抗将决定输出纹波 我们这里画出了BUCK变换器中 3种纹波成分 红色是电容ESR产生的纹波 等于电容上的纹波电流乘以电容的ESR 纹波的形状和电容电流的纹波形状一致 第二个是绿色曲线 是电容ESL产生的纹波电压波形 ESL产生的电压纹波 就是ESL和BUCK变换器输出电感的分压 你可以看到它是一个方波 最后 蓝色曲线是输出电容本身产生的纹波 它是纹波电流的积分 计算出来时是一个平方的关系 所以 仔细观察时 纹波电压是一个很有趣的现象 你可以看到ESL和ESR产生的纹波电压 加在电容本身的纹波电压上 当电容本身的分量比较小时 ESL和ESR的纹波就决定了 输出电压纹波的最大值 如我们预料的那样 电容产生的纹波分量 跟ESL产生的纹波相位相反 好 我们看过了BUCK变换器的纹波 再来看一线深度连续模式下的 反激变换器的纹波 红色曲线是ESR产生的纹波 它和输出电容上的电流相位一致 就等于ESR乘以电源的输出纹波电流 第二根蓝色曲线 是电容本身产生的纹波 它是输出纹波电流的积分 所以是一个线性上升和下降的曲线 很容易计算第三根绿色曲线是ESL产生的纹波 你可以看到途中的曲线已经10倍衰减 所以深度连续模式下的反激 ESL产生的输出纹波电压会非常大 这就是为什么很多时候 boost和反激变换器需要两级滤波的原因 好 谢谢观看电源小贴士 敬请访问电源管理DesignLine 并搜索电源设计小贴士 或者在本视频短片的说明部分中 点击至所有文章的链接 谢谢
课程介绍 共计1课时,4分48秒

电源设计小贴士51:了解电容器的寄生效应

TI 开关电源 电源设计 电容器 寄生效应 电源管理设计贴士

电源纹波和瞬态规格会决定所需电容器的大小,同时也会限制电容器的寄生组成设置。 1 显示一个电容器的基本寄生组成,其由等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)组成,并且以曲线图呈现出三种电容器(陶瓷电容器、铝质电解电容器和铝聚合物电容器)的阻抗与频率之间的关系。1显示了用于生成这些曲线的各个值。这些值为低压(1V – 2.5V)、中等强度电流(5A)同步降压电源的典型值。

 

三种电容器比较情况,各有优点

1:三种电容器比较情况,各有优点。

 

低频下,所有三种电容器均未表现出寄生分量,因为阻抗明显只与电容相关。但是,铝电解电容器阻抗停止减小,并在相对低频时开始表现出电阻特性。这种电阻特性不断增加,直到达到某个相对高频为止(电容器出现电感)。铝聚合物电容器为与理想状况不符的另一种电容器。有趣的是,它拥有低ESR,并且ESL很明显。陶瓷电容器也有低ESR,但由于其外壳尺寸更小,它的ESL小于铝聚合物和铝电解电容器。

 

寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容器阻抗的改变不同

 1 寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容器阻抗的改变不同

 

 2 显示运作在500kHz下的连续同步调节器模拟的电源输出电容器波形。它使用 1 所示三种电容器的主要阻抗:陶瓷电容;铝ESR;铝聚合物ESL。

 

红色线条为铝电解电容器,其由ESR主导。因此,纹波电压与电感纹波电流直接相关。蓝色线条代表陶瓷电容器的纹波电压,其拥有小ESL和ESR。这种情况的纹波电压为输出电感纹波电流的组成部分。由于纹波电流为线性,因此这导致一系列时间平方部分,并且外形看似正弦曲线。

 

最后,绿色线条代表纹波电压,其电容器阻抗由其ESL主导,例如:铝聚合物电容器等。在这种情况下,输出滤波器电感和ESL形成一个分压器。这些波形的相对相位与我们预计的一样。ESL主导时,纹波电压引导输出滤波器电感电流。ESR主导时,纹波与电流同相,而电容主导时,其延迟。现实情况下,输出纹波电压并非仅包含来自这些元件中之一的电压。相反,它是所有三个元件电压之和。因此,在纹波电压波形中都能看到其某些部分。

 

电容器及其寄生要素在连续同步降压调节器中形成不同的纹波电压

 2 电容器及其寄生要素在连续同步降压调节器中形成不同的纹波电压

 

 3 显示了一个深度连续反激或者降压调节器的波形,其输出电容器电流可以为正和负,而具体状态会不断快速变化。红色线条清楚表明了这种情况,其电压由这种电流乘以ESR得出,结果则为一种方波。电容器元件的电压为方波的组成部分。它导致线性充电和放电,如蓝色三角波形所示。最后,仅当电流在过渡期间变化时,电容器ESL的电压才明显。这种电压会非常高,取决于输出电流升时间。请注意,在这种情况下,绿色线条需除以10(假设25 nS电流过渡)。这些大电感尖峰就是在反激或降压电源中经常出现双级滤波器的众多原因之一。

 

波形随连续反激或者降压输出电流而变化

 3 波形随连续反激或者降压输出电流而变化

 

总之,输出电容器的阻抗有助于提高纹波和瞬态性能。随着电源频率升高,寄生问题的影响更大、更不应忽视。在20kHz附近,铝电解电容器的ESR大到足以主导电容阻抗。在100kHz时,一些铝聚合物电容表现出电感。电源进入兆赫兹开关频率时,请注意所有三种电容器的ESL。

 

下次,我们将讨论一种低功耗、离线式反激转换器,敬请期待。

 

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