作為DC-DC轉換器中自己發(fā)熱問題、節(jié)省空間及提高可靠性的解決方案,將電解電容器更換為MLCC的對象主要為該輸出電容器。
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注:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路。
圖是作為POL轉換器等電子設備中較為常用的降壓型小型DC-DC轉換器的基本電路。轉換器的主要電路得到IC化,并通過印刷線路板外接電容器及電感器(也有內置產品)位于IC前段的電容器稱為輸入電容器(Cin)、位于后段的電容器稱為輸出電容器(Cout)。DC-DC轉換器的輸出電容器通過積蓄電荷使輸出電壓平滑化,同時起到將交流的波紋成分釋放至地線層側,并將其除去的作用。
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2、降壓型DC-DC轉換器中的輸出電容器特性比較
使用如下評估線路板,對降壓型DC-DC轉換器輸出電容器的輸出電壓進行了比較。用于比較的電容器為靜電容量22μF的普通鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性高分子鋁電解電容器以及MLCC。
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3、由于MLCC的ESR較低,因此波紋電壓較小,自己發(fā)熱較少
根據(jù)前述條件,對靜電容量為22μF的普通鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性高分子鋁電解電容器以及MLCC分別比較了輸出電流與輸出電壓。
ESR以及引起自己發(fā)熱的波紋電壓從大到小的順序為:普通鋁電解電容器>鉭電解電容器>功能性高分子鋁電解電容器>MLCC。
功能性高分子鋁電解電容器是將導電性聚合物作為電解質實現(xiàn)低ESR的產品,與普通鋁電解電容器相比,波紋電壓顯著變小,但其形狀較大,價格也較高。
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各電容器的阻抗-頻率特性、ESR-頻率特性如下所示。
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ESR越小的電容器,能夠將波紋電壓抑制到更小。如下述圖表所示,MLCC的特點在于ESR極小,僅為數(shù)mmΩ左右。因此,使用MLCC更換電解電容器將能夠發(fā)揮的表現(xiàn)。
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4、將DC-DC轉換器中的電解電容器更換為MLCC的優(yōu)點
將DC-DC轉換器的輸出電容器從電解電容器更換為MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)不僅能夠抑制波紋,同時還可通過小型低背形狀為電路線路板帶來節(jié)省空間、長壽命化以及提高可靠性等多種優(yōu)點。
1)抑制波紋、高可靠性、長壽命化
ESR較高的電解電容器會因波紋電流導致自己發(fā)熱,從而縮短壽命。
MLCC的ESR比電解電容器降低量達到兩位數(shù),在實現(xiàn)長壽命的同時提高了可靠性。
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2)小型化
通過更換為小型低背形狀可使電路線路板更加節(jié)省空間。
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問題:通過增加電解電容器的容量是否可以抑制波紋電流?
電解電容器的靜電容量增大能一定程度降低ESR。但一般情況下很難通過增加容量實現(xiàn)抑制波紋。這是因為隨著容量增加,時間常數(shù)也會相應增加的原因。
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電容器的充放電過程等過渡現(xiàn)象的響應速度是以時間常數(shù)(τ)的指標進行表示的。在由電阻(R)與電容器(C)構成額RC電路中,時間常數(shù)τ=RC(R的單位為歐姆[Ω],C為靜電容量,單位為法拉[F])。時間常數(shù)越小,電容器充放電所需時間則越短,而時間常數(shù)越大則時間越長。
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若使用過大容量的電解電容器,時間常數(shù)也會變得*,因此在短時間內反復開關的DC-DC轉換器中,開關OFF的時間內無法完成放電,從而電解電容器中會殘留電荷。結果無法充分降低電壓,電壓波形發(fā)生扭曲,從而使輸出不穩(wěn)定,zui終無法得到良好的抑制波紋的效果(圖14)。
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而在MLCC中,在較廣的頻率頻帶中ESR較低,因此不會產生以上問題,將電解電容器更換為MLCC后,可實現(xiàn)良好的波紋抑制效果。