陶瓷电容器在直流变换器中的应用

肖学栋

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。文章探讨了陶瓷电容器在直流变换器中的应用。

关键词：陶瓷电容;直流变换器;应用

以陶瓷为介质的电容器统称为陶瓷介质电容器或简称陶瓷电容器， 又称瓷介电容器， 原材料丰富， 结构简单， 价格低廉， 而且电容量范围较宽， 损耗较小， 温度系数可根据要求在很大范围内调整。陶瓷电容器外形尺寸相差甚大从贴片电容器到大型功率陶瓷电容器， 品种繁多， 按使用的介质材料特性可分为Ⅰ类陶瓷介质、Ⅱ类陶瓷介质和半导体陶瓷电容器;按无功功率大小可分为低功率、高功率陶瓷电容器;按工作电压可分为低压和高压陶瓷电容器;按结构形状可分为圆片形、管型、鼓形、瓶形、筒形等陶瓷电容器。

一般情况下， 直流变换器中电容器的选择主要考虑以下几个参数：电容、纹波 （RIPPLE） 、等效串联电阻 （ESR） 、等效串联电感 （ESL） 等[2]。在传统设计中， 一般采用钽电容作为开关电源的外部电容， 新型陶瓷电容在许多开关电源中也可以获取同等指标， 并达到同样的設计目的。本文重点研究和验证了陶瓷电容器用于开关功率负载的电源旁路电容器、高频开关电源的输出滤波电容器和直流变换器输入旁路电容等场合的可行性， 对比分析了其与电解电容器在应用中的性能优劣， 合理使用陶瓷电容器有助于提高直流变换器的性能指标。

1 用于开关功率负载的电源旁路电容器

在DC/DC变换器 （5 V输入、12V输出、开关频率450 k Hz、输入电流0.34 A、输出电流0.12A） 的电源输入端分别并联100μF铝电解电容器、33μF钽电解电容器和2.2μF陶瓷电容器， 在DC/DC变换器的输入端测试纹波电压与纹波电流。

大电容的陶瓷电容器用在高频整流滤波应用中是有效的， 频率在300 k Hz以上时尤为有效。

大电容的陶瓷电容器对瞬变负载所造成的电源电压瞬变有很好的抑制作用。从电源到负载 （即测试点） 的导线长度为40 cm， 这个长度在电源电路与负载电路之间是常见的， 相当于在电源与负载间串入一个至少100 n H的电感。

在没有电容器时， 测试点的纹波电压峰峰值达2.6 V， 这个峰峰值电压对数字电路来说将会出现逻辑错误， 计算机可能会出现程序错误甚至会死机;接入电容器后， 由于负载的瞬变而造成的电源变化会得到有效的抑制， 在负载的电源端接47μF铝电解电容器后， 纹波电压峰峰值约为30 m V;接入10μF钽电解电容器后， 纹波电压峰峰值约为25 m V;而接入4.7μF陶瓷电容器后纹波电压又降低了约5 m V， 很明显陶瓷电容器在三种电容器中是最有效的， 也是电容最小的。

2 用于高频开关电源的输出滤波电容器

从完成开关电源的高频输出整流滤波功能的要求以及从电容、成本、耐高温性、低ESR、高纹波电流、良好的高频特性等性能综合考虑， 陶瓷贴片电容器可能是最好的选择。根本原因是， 陶瓷贴片电容器可以达到很高的电容， 如1210封装可以达到100μF， 而ESR仅仅为10 mΩ， 可以承受125℃的高温， 随着陶瓷贴片电容器的价格越来越低， 选用陶瓷贴片电容器将会越来越广泛。

陶瓷贴片电容器应用最多的是DC/DC模块， DC/DC模块对元件价格要求相对AC/DC宽松得多。高温使铝电解电容器不可能应用， 陶瓷贴片电容器与钽电解电容器都是性能优秀的电容器， 而陶瓷贴片电容器的ESR远低于钽电解电容器， 在相同的体积时， 陶瓷贴片电容器将允许流过更高的纹波电流。

陶瓷贴片电容器的另一个优点是可以多只叠摞起来构成多片式陶瓷叠片电容器， 这样不仅解决了电容的问题， 也解决了大尺寸陶瓷贴片电容器用在热循环过程中由于与电路板的热膨胀系数不同所导致的断裂问题。采用多只陶瓷贴片电容器叠摞方式， 大大减小了占用电路板的面积， 同时大大降低了寄生电感。

需要注意的是由于陶瓷贴片电容器的ESR极低， 与钽电解电容器相比， 可能会出现在负载突变时产生比较大的电压过调， 即稳定性稍差。但是铝电解电容器的高频性能远不如陶瓷贴片电容器。通常， 将陶瓷贴片电容器并联在输出滤波电容器的管脚上或并接在输出端， 可以有效降低开关过程的尖峰电压。

3 作为输入旁路电容

输入旁路电容器主要作用是将DC/DC变换器开关管产生的“纹波电流”旁路掉， 同时避免由于输入侧的引线电感在开关关断时产生感生电动势击穿开关管。这样输入电容器应该选择低ESR、低寄生电感、频率特性好、可以承受较大纹波电流的电容器。

一般直流输入的DC/DC变换器的输入电压通常比交流输入电压低得多， 同时开关频率比较高， 这样开关管的开关速度往往非常快， 甚至几十ns以下。在这样的速度下关断5 A电流时， 50 n H的寄生电感将产生5～12 V甚至25 V的感生电动势， 即便是100 ns， 感生电动势也将达到2～5 V。因此， 尽量减少开关回路的寄生电感是绝对必要的， 更要求输入旁路电容器的寄生电感应尽可能的小。

基于上述原因， 不能选择普通的电解电容器， 因为普通电解电容器的寄生电感大、ESR大， 旁路性能差， 而且可承受的纹波电流小;低ESR的铝电解电容器尽管性能上优于普通的电解电容器， 它所适应的开关频率大概是20～100 k Hz， 很难适应300 k Hz以上的开关频率， 可以作为体积没有严格要求的DC/DC变换器的输入旁路电容器， 最好在这个低ESR电解电容器上并联足够大电容的陶瓷电容器;一般的钽电解电容器的性能优于低ESR的电解电容器， 在档次不高的应用中还是可以的， 但是这种电解电容器的ESR比较大， 因此不能承受较高的纹波电流， 同样需要并联陶瓷电容器， 有了大电容陶瓷电容器， 这种电容器不仅具有非常低的ESR， 而且寄生电感还非常低 （如100μF的陶瓷电容器可以仅仅是1206封装） 。

电容大的铝电解电容器在低频段有较低的阻抗， 陶瓷电容器高频段有较低的阻抗， 二者并联使用可以在很宽的频段上获得理想的低阻抗。高频大功率电路的旁路电容器需要旁路较大的由负载造成的“高频交流”负载电流， 因此旁路电容器不仅要具有低的ESR， 还要有低的介质频率损耗。而陶瓷电容器的体积非常小， 0.1～1μF的引线式陶瓷电容器的焊盘间距仅5.08 mm， 0805封装的贴片电容器更小， 焊接尺寸仅2 mm， 很容易印制电路板的排布组件和布线。如果选用更大电容量的陶瓷电容器 （如10、22甚至是47、100μF） 则完全可以替代钽电解电容器。

结论

利用高性能的陶瓷电容可以缩小DC/DC变换器的体积并降低成本， 但对于旁路电容， 需要考虑它的发热量， 如果旁路电容器发热不严重， 陶瓷电容器将是最佳的选择。如果旁路电路产生很高的纹波电流， 则需要考虑旁路电容器可以承受的由纹波电流导致的发热而适当选择电容器的类型。另外， 将一个陶瓷电容与大容量的钽电容并联作为旁路电容， 将更有利于吸收瞬变电流， 改善系统性能。

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.

[2]陈永真， 宁武， 孟丽囡.单管变换器及其应用[M].北京：机械工业出版社， 2006：46-49.