使用陶瓷电容做补偿的直流变换器

余昊俊

【摘 要】越来越多的直流电压转换器使用陶瓷电容器作为输出滤波的主要部分。直流电压转换器的瞬态特性是由反馈回路的增益和带宽决定的，而陶瓷电容对其有改善作用。 陶瓷电容产生更高的谐振频率以及相位滞后，改善直流电压转换器的稳定运行。 电源设计者需在最坏的情况下对不同条件的器件和参数容差进行分析考量。论文对比介绍了使用不同类型输出电容的影响，性能对比和优缺点。

【Abstract】More and more DC converters use ceramic capacitors as the main part of output filtering. The transient characteristics of DC voltage converters are determined by the gain and bandwidth of the feedback loop， and the ceramic capacitors can improve their performance. Ceramic capacitors cause higher resonant frequency of the output filter and phase lag， which is affecting stable operation of a DC converter. In the worst case， the power designer needs to analyze the device and parameter tolerance of different conditions. In this paper， we introduce the effects of different types of output capacitors， performance comparison， advantages and disadvantages.

【關键词】陶瓷电容；直流电压转换器；环路补偿；稳定性

【Keywords】ceramic capacitor； DC converter； loop compensation； stability

【中图分类号】TN99 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0174-02

1 引言

尺寸，功耗，精确度是衡量DC/DC（直流到直流）转换器的一些重要参数。相比于电解电容，陶瓷电容由于具有更小的体积，更低的ESR（串联等效电阻）而备受欢迎。而在负载电流跳变的条件下，就需要更好的输出滤波器和反馈环路。本文对比了不同类型输出电容下的性能差别，并进行了实测验证。

2 陶瓷电容和电解电容的区别

2.1 主要参数

近年来，由于低成本，小体积等特点，X5R，X7R型陶瓷电容越来越受欢迎。下表1列举了多种输出电容的一些典型特性的对比。相比于电解电容而言，X5R或X7R型的陶瓷电容具有更低的参数变化和容差。 最新的陶瓷电容，容值在10μF到100μF的范围内具有极低的ESR，接近2mΩ至5mΩ。 并且其电容容差为±20%或更低。

2.2 输出纹波

陶瓷电容器的低ESR和ESL显著降低了DC / DC转换器的输出电压纹波。 在这种情况下的输出波纹主要取决于电容值。流经电感的电流也会流过输出电容的ESR，因此，输出电压纹波其实也反映了输出电感上电流的波形。

下图1中的波形显示了DC / DC变化器的开关波形和输出电压纹，其使用2 x 150μF特种聚合物电容作为输出滤波电容。 图2中的波形与转换器采用3 x 22μF陶瓷电容。两个稳压器都具有相同的0.65μH的输出电感并以相同的开关频率700 KHz运行。在输入电压为3.3 V，输出电压为1.8V的相同占空比下，使用66μF陶瓷电容的输出纹波的峰值只有6.4 mV，而使用300μF聚合物电容器的输出电压纹波峰峰值为23.2 mV。

2.3 输出滤波器频率响应

输出电容的参数及其公差显著影响着调节器的频率响应。使用电解或陶瓷电容作为输出滤波器的不同调节器之间，其频率响应也存在很大的差异。当使用电解电容时，只有选择较大的电感值，才能得到与陶瓷电容相同的开关频率下大致相等的输出纹波。陶瓷电容所产生的ESR零点一般位于兆赫兹的频率范围内，这个频率远大于芯片的典型穿越频率。通常来说，穿越频率会比开关频率的1/5还低一些。这也就意味着，此ESR零点对环路的影响可以忽略不计。举例来说，一般一个700KHz的开关频率的IC，其穿越频率不会超过140KHz，也就是说这个频率远比ESR零点的频率小。

使用陶瓷电容的输出滤波器，相比于电解电容，其谐振频率高出5倍以上，而ESR零点频率则是前者的150倍左右，相位滞后也从110度变成了170度。对于一个理想的二阶滤波器会产生180度相移，这使得陶瓷电容更接近理想化状态。

2.4 动态负载响应对比

对于直流电压变换器而言，输出动态响应是反映芯片动态性能指标的重要参数。在负载电流急剧增加或跌落时，输出电压能否维持在稳定状态，或者能否迅速响应显得极其重要。图3显示的是使用电解电容的直流电压变换器，负载电流变化3A时，输出电压的动态纹波波形。其中Vm1是电流上升时的负过冲（undershoot），这个值是由输出电容的ESR和ESL所决定的；Vm2是因为输出电容上的电荷由于负载电流跳变而迅速转移造成的尖峰。Vm2峰值的幅度取决于最佳输出滤波器选择以及转换器的反馈环路对瞬态跳变响应的速度[1]。

图4显示的是使用陶瓷电容作为输出电容的负载电流动态跳变响应。由于陶瓷电容具有很低的ESR和ESL，所以Vm1在这张波形中几乎看不到。当然，第二个尖峰Vm2比电解电容稍大一些。造成这个差别的原因主要是因为陶瓷电容的容值比电解电容要低很多。在电荷量相等的条件下，电容的容值越低，电压的变化也就越大。选择较低的输出电感有助于减少在瞬态跳变期间施加到电容器的电荷，这是因为电感电流跳变到新的负载电流所需的时间也会更短。当然，补偿环路的作用就是使得即便在容值很小的陶瓷电容输出下，也能有很小的Vm2值以及快速的响应时间。

3 结论

本文主要阐述了陶瓷电容和电解电容，OS-CON以及多聚合物电容的典型参数对比，并通过实际测试看到了在不同类型的输出电容下，对诸如频率响应，输出纹波，负载电压动态跳变等性能的影响。无论是从成本考量，还是体积尺寸，或者环路响应的稳定性来看，X5R和X7R类型的陶瓷电容都能很好地适用于多种应用条件的输出滤波器，这也是使得越来越多的消费类电子、汽车电子产品选择陶瓷电容的原因所在。

【参考文献】

【1】Rais Miftakhutdinov.微处理器或DSP电源的最佳输出滤波器设计[J].模拟应用杂志，2000（8）：22-29.endprint