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提高紋波和瞬態(tài)性能,輸出電容究竟應(yīng)該怎么選?
發(fā)布時(shí)間:2020-01-22 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】圖1顯示了組成一個(gè)電容器的基本寄生,由等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)組成,并且以曲線圖呈現(xiàn)出三種電容器(陶瓷電容器、鋁質(zhì)電解電容器和鋁聚合物電容器)的阻抗與頻率之間的關(guān)系。
圖1:寄生對(duì)陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器阻抗的影響不同
表1顯示了用于生成這些曲線的各個(gè)值。這些值為低壓(1V~2.5V)、中等強(qiáng)度電流(5A)同步降壓源的典型值。
表1:三種電容器的比較情況,各有優(yōu)點(diǎn)。
低頻下,所有三種電容器均未表現(xiàn)出寄生分量,因?yàn)樽杩姑黠@只與電容相關(guān)。但是,鋁電解電容器阻抗停止減小,并在相對(duì)低頻時(shí)開(kāi)始表現(xiàn)出電阻特性,并且不斷增加,直到達(dá)到某個(gè)相對(duì)高頻為止(電容器出現(xiàn)電感)。鋁聚合物電容器為與理想狀況不符的另一種電容器。有趣的是,它擁有低ESR,并且ESL很明顯。陶瓷電容器也有低ESR,但由于其外殼尺寸更小,它的ESL小于鋁聚合物和鋁電解電容器。
圖2顯示運(yùn)作在500kHz下的連續(xù)同步調(diào)節(jié)器模擬的電源輸出電容器波形,使用了圖1所示陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器的主要阻抗(依次為電容、ESR和ESL)。
圖2:電容器及其寄生要素在連續(xù)同步降壓調(diào)節(jié)器中形成不同的紋波電壓
紅色線條為鋁電解電容器,其由ESR主導(dǎo)。因此,紋波電壓與電感紋波電流直接相關(guān)。
藍(lán)色線條代表陶瓷電容器的紋波電壓,其擁有小ESL和ESR。這種情況的紋波電壓為輸出電感紋波電流的組成部分。由于紋波電流為線性,因此紋波電壓就與時(shí)間形成了平方關(guān)系,并且外形看似正弦曲線。
最后,綠色線條代表了阻抗由其ESL主導(dǎo)的鋁聚合物等電容器的紋波電壓。在這種情況下,輸出濾波器電感和ESL形成一個(gè)分壓器。
這些波形的相對(duì)相位與我們預(yù)計(jì)的一樣。ESL主導(dǎo)時(shí),紋波電壓引導(dǎo)輸出濾波器電感電流。ESR主導(dǎo)時(shí),紋波與電流同相,而電容主導(dǎo)時(shí),則有延遲?,F(xiàn)實(shí)情況下,輸出紋波電壓并非僅包含某個(gè)元件的電壓。相反,它是所有三個(gè)元件電壓之和。因此,在紋波電壓波形中都能看到其某些部分。
圖3顯示了一個(gè)深度連續(xù)反激或者降壓調(diào)節(jié)器的波形,其輸出電容器電流可以為正或負(fù),而具體狀態(tài)會(huì)不斷快速變化。紅色線條清楚地說(shuō)明了這種情況,其電壓由電流乘以ESR得出,結(jié)果為一種方波,其中包含電容器電壓。
這種情況將導(dǎo)致線性充電和放電,如藍(lán)色三角波形所示。最后,僅當(dāng)電流在過(guò)渡期間變化時(shí),電容器ESL的電壓才會(huì)發(fā)生明顯變化。這種電壓會(huì)非常高,取決于輸出電流上升時(shí)間。請(qǐng)注意,在這種情況下,綠色線條需除以10(假設(shè)電流過(guò)渡時(shí)間為25 nS)。這些大電感尖峰就是在反激或降壓電源中經(jīng)常出現(xiàn)雙級(jí)濾波器的眾多原因之一。
圖3:波形隨連續(xù)反激或者降壓輸出電流而變化
總之,輸出電容器的阻抗有助于提高紋波和瞬態(tài)性能。隨著電源頻率升高,寄生問(wèn)題的影響也就越大、越不可忽視。在20kHz附近,鋁電解電容器的ESR大到足以主導(dǎo)電容阻抗。在100kHz時(shí),一些鋁聚合物電容表現(xiàn)出電感,電源進(jìn)入兆赫茲開(kāi)關(guān)頻率時(shí),應(yīng)注意所有三種電容器的ESL。
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