發布日期：2022-10-09 點擊率：90
【導讀】介紹了電容電感易到影響的一些參數和系統設計人員必須了解的知識，并闡釋了何時需要為便攜式電源系統的最小但最高效的解決方案選擇外部元件。
設計人員在考慮無源器件時，他們想到的是電感電容的生產容限，一般為±20% 或±10%。這在理論上是對的，但在實際應用中卻不然。某一特定頻率下，在一個陶瓷電容上加直流偏置電壓或在電感上加載電流會改變這些元件的特性，故有“有源的無源器件(active passives)”之稱。例如，一個10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時測量值為4μF。一個3.3μH的電感用在85°C的實際應用中時測量值為0.8μH。
此外，元件生產商也越來越積極進取，有可能不斷推出一些相當好的部件，以在尺寸價值比之大戰中保持充足的競爭力。這類似于各種實際情況。比如，一部EPA(美國國家環保署)測試額定30Mpg(每加侖行駛英哩數)的汽車，實際駕駛中可能只有20mpg。這就意味著車主必需比預期的更頻繁地去加油站。
這個例子可以延伸到便攜式電源系統。系統中各個模塊使用的每一個元件都對系統性能有著直接的影響。便攜式電源系統的關鍵性能指標包括電池壽命、解決方案的尺寸大小、系統資源易使用性等。例如，在便攜式電源系統中，過于頻繁的設備充電將使所謂的“便攜式”失去意義。
系統設計人員在這些關鍵性能指標的實現方面已邁出了第一步，即選擇開關調節器來為不同的系統模塊供電。下一步是確保選定的開關調節器工作在最大效率之下。開關調節器的關鍵性能指標有效率、精度和輸出電壓容限(包括瞬態響應、電壓紋波、解決方案尺寸大小等)。為了滿足這些性能指標，開關IC必須與外部元件協調工作。
開關調節器的外部元件一般包括一個電感、一個輸入電容和一個輸出電容。正如任何游戲的成功依賴于團隊的齊心協作，外部元件和開關也必須互相配合、協調工作以滿足直流-直流轉換器解決方案預期的性能指標。
在設計開關調節器時，對電感值及輸入輸出電容值的一系列補償進行了優化。該部件的輸出電流能力也取決于諸多因素，其中之一是電感值。
本文介紹了電容電感易到影響的一些參數，論述了系統設計人員必須了解的知識，并闡釋了何時需要為便攜式電源系統的最小但最高效的解決方案選擇外部元件。
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選擇電容
先讓我們看看陶瓷電容。這種電容由于尺寸、成本和性能方面的優勢成為便攜式應用產品的理想選擇，也因開關頻率下的等效串聯電阻(ESR)和等效阻抗很低而非常適合于高頻應用。低ESR使輸出電壓紋波被減至最小，低阻抗產生出色的濾波特性。而Y5V類電介質電容的溫度系數很差，85°C時可能下降80%，一般不建議用于便攜式應用，故本節重點討論X5R/X7R電容。
圖1顯示了10μF，6.3V，X5R陶瓷電容外殼尺寸的變化歷史。外殼尺寸較小的主要好處在于節省開關的占位面積，降低總體解決方案的高度。目前，主流移動電話生產商在電話中使用的元件之高度最大限值為1.2mm。隨著電話模型越來越纖巧，這個限值將進一步減小。現在的陶瓷電容已能夠很好地滿足這些要求。
圖1：10μF，6.3V，X5R陶瓷電容外殼尺寸的變化
那么，系統設計人員還需要了解除陶瓷電容之外的東西嗎？絕對需要！例如，在選擇陶瓷電容的電容值及其外殼尺寸之余，必須考慮到它的直流偏置效應。電容選擇不正確可能對系統的穩定性造成嚴重破壞。直流偏置效應通常出現在鐵電電介質(2類)電容中，如X5R、X7R、及Y5V類電容。
陶瓷電容的基本計算公式如下：
C=K×[(S×n)/t]
（這里，C=電容量，K=介電常數，n=介電層層數，S=電極面積，t=介電層厚度）
影響直流偏置的因子有K、介電層厚度、額定電壓的比例因子，以及材料的晶粒度。電容上的電場使內部分子結構產生“極化”，引起K常數的暫時改變，不幸的是，是變小。電容的外殼尺寸越小，由直流偏置引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定，則直流偏置電壓越大，電容量降量百分比也越大。系統設計人員為節省空間用0603電容代替0805電容時，必須相當謹慎――除非用預定類型的電容對轉換器進行了測試。規格說明書中推薦的是0603電容。
圖2所示為在某典型便攜式應用產品的使用環境溫度范圍內，直流偏置對幾種不同電容的影響。查看圖中的直流偏置特性，可看到，廠商A生產的10μF，6.3V 0603電容在1.8V 直流偏置及-30°C下的電容量值為5.75μF。需注意電容器和電容量之間的區別。電容量是從應用的角度看到的電容的實際值。廠商C生產的相同電容器在同樣條件下的電容量值為3.5μF。事實上，廠商A的4.7μF電容差不多與廠商C的10μF電容一樣好。
圖2：直流偏置對幾種不同電容的影響
因此，請記住應該向廠商索取在應用的預定直流偏置電壓下的電容值曲線。例如，采用2.5V輸出電壓時，系統設計人員必須查看2.5V時的直流偏置。使開關穩定性最好的最
電容值可在開關的規格說明書中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單(BOM)的電容雙重來源時，廠商間的差異也必須考慮到。
上述決策不應該留給采購人員，除非他們能給出很好的建議。電容器生產商往往喜歡出示單獨的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過，他們不會同時給出兩條，但實際應用恰恰需要兩條。應該記住向生產廠商索要系統最常用電壓的綜合曲線。例如，基帶內核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤驅動器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器電源的輸出電壓范圍為0.8 到3.4V。選擇輸入電容時，必須考慮到輸入電壓范圍。對鋰離子電池而言，這個范圍為3 到 4.3V，當插入充電器時，可高達5.5V。
從系統的角度來看：阻抗/ESR與頻率的關系曲線也很重要。用于2MHz開關的電容可能并不適合于5MHz開關。開關設計中，電容的諧振頻率是一關鍵規格參數。當開關頻率接近輸出電容的諧振頻率時，輸出電壓紋波最小。例如，4.7μF和10μF 0603電容的諧振頻率范圍都為2 到 3MHz。但1μF 0603電容的諧振頻率在6MHz左右，1μF 0402電容的近10MHz。工作頻率高于諧振頻率時，阻抗實際上是電感性的。如果沒有正確的補償，將產生穩定性問題，且開關的紋波增加。最后但并非不重要的是，陶瓷電容的生產容限是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規定/測試的，但實際應用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。對一個典型的開關，紋波電壓范圍為5到30mV。
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