本系列文章將以轉換器 IC 評估板的參考電路為主題，說明選擇各種分立元件時的重要特性。在講解過程中，通過使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數，并使用仿真波形和計算值檢查電路的變化，解釋了特性與電路之間的關系。其中，《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法》分為上、下兩篇，將解釋如何選擇同步整流器型降壓轉換器電路所需的輸入/輸出電容器，同時通過仿真確認電容器特性的影響。

本文為上篇，主要介紹電容器的作用、特性，以及如何選擇合適的電容器。另外，本文不描述如何為轉換器 IC LT8609 選擇外圍元件 (電容器)，它僅用作在 LTspice 上檢查電容器特性的示例電路。

各電容器的作用

理想情況下，電源線中應該只有純直流元件，但在實際電源線中，輸入端會出現充電/放電產生的紋波電流以及電源集成電路開關導致的輸入電壓波動。此外，輸出電壓的紋波噪聲也會在輸出部分產生。輸入電容器具有承受紋波電流和穩(wěn)定輸入電壓以及降低紋波電流引起的噪聲的作用。輸出電容器與電感構成 LC 濾波器，以平滑輸出電壓，同時降低輸出電壓處的紋波噪聲。另一方面，它具有響應負載側的突然變化 (瞬態(tài)響應) 的作用。

在本文中，我們將研究 LT8609 同步降壓穩(wěn)壓器評估板的原理圖：DC2958A，將其分為兩部分：輸入電路和輸出電路。輸入電路中的噪聲抑制電容器為 C6，輸出電路中的噪聲抑制電容器為 C4，如下圖 (圖1) 所示：

圖1 LT8609 同步降壓穩(wěn)壓器評估板原理圖

輸入電容器

如下圖 (圖2) 所示，當電源 IC 執(zhí)行開關操作時，在充電和放電過程中會產生紋波電流。由于輸入電壓的波動，它還會產生紋波電流。由于線路中存在寄生電感器和電阻器，該紋波電流在電源 IC 的輸入電壓處成為噪聲。輸入電容器沿分支瞬態(tài)電流的方向連接到電源線，這些電流會對接地線產生噪聲。通過這種方式，輸入電容器降低了這些噪聲并穩(wěn)定了電源 IC 的輸入電壓。

圖2 輸入電容器電壓波動

要點

允許在充電和放電過程中因電源 IC 開關而產生紋波電流，并穩(wěn)定輸入電壓。

抑制由輸入紋波電流引起的輸入電壓波動。

輸出電容器

如下圖 (圖3) 所示，電源 IC 的 SW 輸出必須通過與電感器和電容器形成 LC 濾波器來平滑處理，這是輸出電容器最重要的作用。此外它還能減少 VOUT 發(fā)出的紋波噪聲。即使負載發(fā)生瞬態(tài)波動，也必須響應電壓波動并提供穩(wěn)定的電壓，這也是輸出電容器的一個重要作用。

圖3 輸出電容器電壓波動

要點

電感器和 LC 濾波器配置以平滑輸出電壓。

降低輸出電壓下的紋波噪聲。

響應負載側的突然變化 (瞬態(tài)響應)。

電容器的特性要求

在電子電路中使用電容器時，只考慮電容是理想的，實際電容器具有寄生電阻和電感器 (線圈) 成分。電阻分量稱為等效串聯(lián)電阻 (ESR)，電感器分量稱為等效串聯(lián)電感 (ESL)。之所以縮寫是 ESL 而不是 ESI，是因為在一般的電子電路中，電感器用 L 表示，等效電路如下圖 (圖4) 所示：

圖4 等效電路

ESR 和 ESL 首先是寄生元件，它們越小越理想。因此，在選擇實際的電容器時，請選擇低 ESR 和低 ESL 的電容器。ESR 和 ESL 值可在數據表中找到。

具有低 ESR 和低 ESL 的電容器是多層陶瓷電容器 (MLCC)，MLCC 的結構使其能夠實現比其他電容器更低的 ESR 和更低的 ESL，因此即使在高頻下也可以繼續(xù)作為電容器發(fā)揮作用。換句話說，MLCC 在去除高頻噪聲方面更有效，并形成高性能濾波器。但是，MLCC 的靜電容量會隨環(huán)境溫度而變化。這是由于 MLCC 中使用的材料造成的，并且是所有 MLCC 都會發(fā)生的現象，無論制造商是誰。因此，MLCC 的溫度特性基于日本工業(yè)標準 (JIS) 和美國電子工業(yè)協(xié)會 (EIA) 制定的標準，在這些標準中，它們分為溫度補償和高介電常數系統(tǒng)。靜電容量的變化會因溫度而異，需要根據每個特性正確使用。

對于溫度補償，溫度系數的單位是 (ppm/°C)，高介電常數系統(tǒng)的單位是 (%)。在同步整流轉換器電路中，使用高介電常數系統(tǒng)就足夠了。例如，如果溫度特性符號處于 X5R 或 X7R 表示的級別，則可以充分使用它。X5R 的電容變化率為 -55~+85°C，電容變化率為 ±15%，而 X7R 的電容變化率為 -55~+125°C，電容變化率為 ±15%。

要點

使用低 ESR (等效串聯(lián)電阻) 和低 ESL (等效串聯(lián)電感)。

X5R (-55~+85°C，電容變化率 ±15%) 或 X7R (-55~+125°C，電容變化率 ±15%) 可以獲得足夠穩(wěn)定的溫度特性。

通常使用 MLCC。

MLCC 的類型

電容器有多種類型，它們根據使用的材料進行分類，例如陶瓷電容器、鉭電解電容器、鋁電解電容器等。MLCC 體積小，但靜電容量范圍廣，可用于各種應用，例如降噪、電源電壓平滑和濾波電路。MLCC 具有陶瓷 (電介質) 和電極的多層結構，因此可以實現小型化。MLCC 有兩種類型：一種用于溫度補償，一種用于高介電常數。

用于溫度補償

由于溫度變化引起的電容變化率很小，用于緩沖電路 (吸收切換 FET 開關等時產生的高頻振鈴的噪聲抑制電路) 和軟啟動等時間常數電路。另一方面，原材料的相對介電常數小于高介電常數系統(tǒng)的相對介電常數，因此不能增加電容。

高介電常數系統(tǒng)

由于原材料的相對介電常數大，因此具有體積小、容量大的特點。但是，由于溫度特性范圍很廣，因此它被用作電源電路輸入和輸出的平滑電路和去耦電容器。

選擇時重要的特性

額定電壓

電容器指定有額定電壓，施加在電容器端子之間的電壓必須小于或等于額定電壓。“施加電壓”不僅包括正常工作條件下的施加電壓，還包括浪涌電壓、靜電、開關開關時的脈沖和紋波電壓等異常電壓。在選擇額定電壓時，應考慮降額，并以額定電壓的 70~80% 以下使用為前提進行選擇。

要點

額定電壓必須高于最大輸入電壓。

考慮降額時，在額定電壓的 70~80% 以下使用。

直流偏置特性

電容器的有效靜電容量值隨施加電壓而變化的現象稱為電壓特性。施加直流電壓時的電壓特性稱為直流偏置特性，施加交流電壓時的電壓特性稱為交流偏置特性。在同步轉換器電路中，直流電壓施加到電容器上，因此直流偏置特性是一個需要考慮的重要因素。

直流偏置特性是指當向電容器施加直流電壓時，有效靜電容量發(fā)生變化 (減小) 的現象。這種現象是使用鈦酸鋇鐵電體的高介電常數 MLCC 所獨有的，在使用電介質的陶瓷電容器或溫度補償 MLCC 以外的電容器中很少發(fā)生。特性變化的圖像如下圖 (圖5) 所示。在高介電常數 MLCC 中，當溫度特性 (X5R、Y5V 等) 不同時，直流偏置特性也會發(fā)生變化。直流偏置特性因型號而異，因此請查閱各制造商的數據表、規(guī)格書和技術說明以了解具體特性。

圖5 直流偏置特性變化

接下來介紹 DC 偏置特性和其他因素對靜電容量產生的影響變化。

如果只考慮電容 C，那么隨著頻率的增加，阻抗會減小。另外，電容的差異會影響噪聲消除和平滑的效果。因此，我們使用仿真來改變輸入電容器 C6 的電容并檢查輸入電壓的狀態(tài)。仿真電路如圖 6 所示。為了使仿真模型更接近實際電路，考慮了布線 (電纜等)，并添加了偽電阻 (R4=0.01Ω) 和電感器 (L2=100nH)。此外，考慮到電容器與 IC 的布線影響，在電容器 C6 上串聯(lián)添加了電阻器 (R5=0.001Ω) 和電感器 (L3=0.01nH)。

圖6 輸入電容器仿真電路

比較輸入電容 C6 在 1μF 和 10μF 時的電容。顯然，10μF 更穩(wěn)定。

圖7 輸入電容 C6 比較

接下來，重點檢查輸出電容器。嘗試改變輸出電容 C4 的電容值，觀察輸出電壓的波動。仿真電路如圖 8 所示。同樣，為了使仿真模型更接近實際電路，考慮到從電容器到集成電路的布線影響，在電容器 C4 的串聯(lián)處添加了一個電阻 (R6=0.001Ω) 和一個電感 (L4=0.01nH)。

圖8 輸出電容器仿真電路

比較電容值為 4.7μF 和 47μF 的輸出電容器 C4，從下圖 (圖9) 可以看出，電容值為 4.7μF 時，電壓升高，而電容值為 47μF 時，電壓相對穩(wěn)定。

圖9 輸出電容器電容值比較

要點

對于 MLCC (高介電常數型)，應考慮直流偏置特性，即有效電容隨外加電壓降低。

可在制造商的網頁上查看直流偏置特性。

選擇時應考慮電容減小率 (檢查使用電壓下的電容減小率)。

等效串聯(lián)電阻：ESR

ESR 可在每個產品的數據表中找到。它在等效電路上是一個常數值，但實際上它隨頻率而變化。ESR 特性的圖像如下圖 (圖10) 所示。選擇標準基于 ESR 的最小值，ESR 特性也因型號而異，因此請查看各制造商的數據表、規(guī)格書和技術說明以了解具體特性。

圖10 ESR 特性圖

另一方面，電容器的等效電路是由 R、L 和 C 組成的串聯(lián)電路，因此它在頻率響應中具有諧振點。諧振點是 L 和 C 分量相互抵消并僅成為 R 分量的頻率。在諧振點處，只有 R 分量顯示為阻抗，因此諧振點處的阻抗被認為等于 ESR。如果數據手冊中沒有描述 ESR 值或 ESR 特性，則可以根據頻率特性確定 ESR。頻率響應的圖像如下圖 (圖11) 所示。這也因型號而異，因此請查看每個制造商的數據表、規(guī)格和技術說明以了解詳細信息。

圖11 頻率響應圖像

總結

本文主要介紹了電容器的作用、特性，以及如何選擇合適的電容器。在《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法 (下)》將通過仿真，為大家介紹電容器特性的影響。