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                提高纹波和瞬态性能,输出电容究竟应该怎么选?

                发布时间:2020-01-22 责任编辑:wenwei

                【导读】图1显示了组成一个电容器的基本寄生,由等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)组成,并且以曲线图△呈现出三种电容器(陶瓷电容器、铝质电解电容器和铝聚合物电容器)的阻抗与频率之间的关系。
                 
                /art/artinfo/id/80037552
                图1:寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容器阻抗々的影响不同
                 
                表1显示了用于生成这些曲线的各个值。这些值为低压(1V~2.5V)、中等强◥度电流(5A)同步降压源的典型值。
                 
                /art/artinfo/id/80037552
                表1:三种电容器的比较情况,各有优点。
                 
                低频下,所有三种电容器均未表现出寄生分量,因为阻抗明显只与电容相关。但是,铝电解电容器阻抗停止减小,并在相对低频时开始表现出电阻特性,并且不断增加,直到达到某个相对高频为止(电容器出现电感)。铝聚合物电容器为与】理想状况不符的另一种电容器。有趣的是,它拥有低ESR,并且ESL很明显。陶瓷电容器也有低ESR,但由于其外壳尺寸更小,它的ESL小于铝聚合物和铝电解电容器。
                 
                图2显示运作在500kHz下的连续同步调节器模拟的电源输出电√容器波形,使用了图1所示陶瓷、铝和铝聚合物电容器的主要阻抗(依次为电容、ESR和ESL)。
                 
                /art/artinfo/id/80037552
                图2:电容器及其寄生要素在连续同步降压调节器中形成不同的纹波电压
                 
                红色线条为铝电解电容器,其由ESR主导。因此,纹波电压与电感纹波电流直接相关。
                 
                蓝色线条代表陶瓷电容器的纹波电压,其拥有小ESL和ESR。这种情况的纹波电压为输出电感纹波电流的组成部分。由于纹波电流为线性,因此纹波电压就与时间形成了平方关系,并且外形看似正弦曲线。
                 
                最后,绿色线条代表了阻抗由其ESL主导的铝聚合物等电容器的纹波电压。在这种情况下,输出滤波器电感和ESL形成一个分压器。
                 
                这些波形的相对相位与我们预计的一样。ESL主导时,纹波电压引导输出滤波器电感电流。ESR主导时,纹波与电流同相,而电容主导时,则有延迟。现实情况下,输出纹〒波电压并非仅包含某个元件的电压。相反,它是所有三个元件电压之和。因此,在纹波电压波形中都能看到其某些部分。
                 
                图3显示了一个深度连续反激或者降压调节器的波形,其输出电容器电流可以为正或负,而具体状态会不断快速变化。红色线条清楚地说明了这种情况,其电压由电流乘以ESR得出,结果为一种方波,其中包含电容器电压。
                 
                这种情况将导致线性充电和放电,如蓝色三角波形所示。最后,仅当电流在过渡期间变化时,电容器ESL的电压才会发生明显变化。这种电压会非常高,取决于输出电流上升时间。请注意,在这种情况下,绿色线条需除以10(假设电流过渡时间为25 nS)。这些大电感尖峰就是在反激或降压电源中经常出现双级滤╱波器的众多原因之一。
                 
                /art/artinfo/id/80037552
                图3:波形随连续反激或者降压输出电流而变化
                 
                总之,输出电容器的阻抗有助于提高纹波和瞬态性能。随着电源频率升高,寄生问题的影响也就越大、越不可忽视。在20kHz附近,铝电解电容器的ESR大到足以主导Ψ电容阻抗。在100kHz时,一些铝聚合物电容表现出电感,电源进入兆赫兹开关频率时,应注意所有三种电容器的ESL。
                 
                 
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