摘要

本文首先簡(jiǎn)單地介紹三洋公司的POSCAP(一種以高分子聚合物為固態(tài)電解質(zhì)的鉭或鋁電解電容器)。其主要特點(diǎn)是尺寸小而電容量大、ESR低及允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器中作輸出電容器。

DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠家給出參數(shù)齊全的典型應(yīng)用電路圖,如果使用條件(如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流或開(kāi)關(guān)頻率)有所改變,則典型應(yīng)用電路中的有關(guān)元器件的參數(shù)要做相應(yīng)的改變,這種情況是經(jīng)常會(huì)碰到的。

本文介紹在使用條件改變后,可通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,確定使用條件改變后的電感器和輸出電容器的值,并介紹如何選擇合適的POSCAP。

POSCAP的結(jié)構(gòu)

“POSCAP”是“聚合物有機(jī)半導(dǎo)體固態(tài)電解電容器”的英文縮寫(xiě)。大部分POSCAP的陽(yáng)極是燒結(jié)鉭,僅少部分的陽(yáng)極為鋁箔,其介質(zhì)分別為氧化鉭(Ta2O5)及氧化鋁(Al2O3),而電解質(zhì)(陰極)都是固態(tài)的、導(dǎo)電性能良好的高分子聚合物。由于采用了導(dǎo)電性能好的固態(tài)高分子聚合物作電解質(zhì),使它們具有尺寸小而電容量大、極低的ESR(等效串聯(lián)電阻)及很大的允許紋波電流的特點(diǎn)。POSCAP是小尺寸貼片式封裝的,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示。

圖1 TPB、TPC、TPE、TQC、TATH系列POSCAP電容的結(jié)構(gòu)



圖2 AP系列POSCAP電容的結(jié)構(gòu)

POSCAP的特點(diǎn)及特性

POSCAP的主要特點(diǎn)：有適合不同要求的系列(如表4所示);最小的封裝尺寸為0805;ESR低及允許紋波電流大,如型號(hào)為2R5TPD680M5的POSCAP,其額定電壓為2.5V、電容量為680μF,最大的ESR僅為5mΩ,允許最大的紋波電流為6100mA;額定電壓范圍2.5～25V;電容量范圍5.6～1000μF;允差為±20%(M極）;損耗因數(shù)在8%～15%范圍內(nèi);漏電流≤0.1CV;有極好的吸收噪聲的特性;有極好的頻率特性(在10kHz～10MHz范圍內(nèi)）;有較好的溫度特性;能承受20A瞬態(tài)沖擊電流;壽命長(zhǎng),在105℃時(shí)可達(dá)2000小時(shí);工作溫度范圍-55～+105℃(有一些品種的最高溫度為+85℃,TH系列可工作在125℃的環(huán)境溫度,見(jiàn)表4）;出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)爆炸、燃燒,比一般的鉭電解電容器安全;無(wú)鉛封裝。

典型的POSCAP的ESR與阻抗的頻率特性如圖3所示,藍(lán)色的是2R5TPD 470M5(2.5V/470μF)、紫色的是2R5TPD680M5(2.5V/680μF）;實(shí)線是阻抗的頻率特性,虛線是ESR的頻率特性。從圖3中可看出：在10～1000kHz范圍內(nèi),ESR特性十分平坦(即ESR變化不大),并且其ESR值小于5mΩ。

圖3 POSCAP電容的阻抗與頻率特性曲線

典型的POSCAP的ESR溫度特性及電容量與溫度的特性如表1所示。

表1

允許的紋波電流值與頻率及溫度有關(guān),工作在不同頻率范圍及溫度范圍時(shí),要乘以頻率補(bǔ)償系數(shù)及溫度補(bǔ)償系數(shù),如表2及表3所示。

表2 頻率補(bǔ)償系數(shù)

表3 溫度補(bǔ)償系數(shù)(T為環(huán)境溫度)

POSCAP各系列主要參數(shù)如表4所示。

表4(注：*有部分品種環(huán)境溫度到+85℃;**最高環(huán)境溫度達(dá)+125℃;***全部品種環(huán)境溫度到+85℃。)

POSCAPD在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用

近年來(lái),電子產(chǎn)品的工作電壓不斷降低,從5V降到3V,甚至降到1.0V以下,相反的是輸出電流在增加,為此開(kāi)發(fā)出很多高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器,以滿足市場(chǎng)的需求。

這些DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的工作溫度范圍為-40～+85℃,開(kāi)關(guān)頻率主要在300kHz～1.5MHz范圍內(nèi),輸入電壓幾V到幾十V;輸出電壓一般從0.6～3.3V,輸出電流從幾A到幾十A,甚至上百A。

典型的同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路簡(jiǎn)圖如圖4所示。它是由DC/DC控制器、開(kāi)關(guān)管Q1、同步整流管Q2、驅(qū)動(dòng)高端功率MOSFET(Q1)的自舉式升壓電路(由CBOOST及D1組成)、電流檢測(cè)電阻RCS、決定輸出電壓的R1、R2,電感器L1、輸入電容器CIN及輸出電容器COUT組成。

圖4 同步整流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出部分電路簡(jiǎn)圖

生產(chǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的公司在數(shù)據(jù)資料中給出參數(shù)齊全的典型應(yīng)用電路,用戶可按電路圖組成完整的電源。不少DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商為了幫助用戶開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,還專門提供評(píng)估板,可加速開(kāi)發(fā)的周期。如果用戶的使用條件(如開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)與典型應(yīng)用電路有差別,則電路中的有關(guān)元器件的參數(shù)也要做相應(yīng)的改變,這是經(jīng)常會(huì)碰到的。

本文介紹在使用條件改變時(shí),如何確定電感器L1值及輸出電容COUT值的簡(jiǎn)單計(jì)算方法,并舉一些實(shí)例說(shuō)明其應(yīng)用。

簡(jiǎn)單的計(jì)算公式

使用條件改變后,原典型應(yīng)用電路中的電感器L1及輸出電容器COUT的值可能要改變,可根據(jù)新的使用條件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前要已知的條件是,輸入電壓V_IN、輸出電壓V_OUT、最大輸出電流I_OUT(max)及開(kāi)關(guān)頻率f_sw。計(jì)算公式及步驟如下：

1、初步估算電路上的紋波電流   △I^''_OUT

在初步估算△I^''_OUT時(shí),可取I_OUT(max)的20%～40%,即

(1)　△I^''_OUT=(0.2-0.4)I_OUT(max)

在f_sw高、I_OUT(max)大時(shí)取小值,反之取大值。

2、電感器L1的計(jì)算

電感器L1可按下式計(jì)算：

(2)　L1=(V_IN-V_OUT)×V_OUT/(△I^''_OUT×f_sw×V_IN )

計(jì)算后的L1值應(yīng)按相近的標(biāo)準(zhǔn)系列值選取,如計(jì)算出來(lái)的L1=2.06μH,可取標(biāo)準(zhǔn)值2.2μH,取實(shí)際電感值L_ACT=2.2μH。所選的電感器L1的飽和電流應(yīng)大于電感器的峰值電流I_LP-P。

I_LP-P可按I_LP-P=1.2×I_OUT(max)估算。

3、紋波電流△I_OUT的復(fù)算

可根據(jù)L_ACT來(lái)復(fù)算紋波電流△I_OUT

(3)　△I_OUT=(V_IN-V_OUT)×V_OUT/(f_sw×L_ACT×V_IN )

4、選擇合適的POSCAP電容器

根據(jù)已知的V_OUT及計(jì)算出的△I_OUT,按POSCAP樣本選擇合適的輸出電容器COUT。要滿足兩個(gè)條件：V_OUT=(0.8～   0.9)VRATED(VRATED為電容器的額定電壓）;△I_OUT(ALLOW)>△I_OUT(△I_OUT(ALLOW)是電容器的最大允許紋波電流)。

若所選的單個(gè)電容器的△I_OUT(ALLOW)不能滿足大于△I_OUT的要求,則可用幾個(gè)同型號(hào)的電容器并聯(lián),使?jié)M足下式：

(4)　△I_OUT(ALLOW)×N>△I_OUT

式中N為并聯(lián)的電容器數(shù)。

5、最大的輸出紋波電壓△I_OUT計(jì)算

在選定電容器后,可知道該型號(hào)電容器的最大ESR值,則最大輸出紋波電壓△V_OUT為：

(5)　△V_OUT=△I_OUT×ESR/N

如果按式(5)計(jì)算出來(lái)△V_OUT不能滿足使用上的要求,則需要再選擇ESR更低的(如低ESR系列)或增加N值來(lái)解決。

要保證電路的穩(wěn)定,其輸出電容的電容量是不大的,采用電容量大、ESR小的電容器的目的是減小輸出紋波電壓及改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。這里采用POSCAP電容器是充分發(fā)揮它的特長(zhǎng),若采用其他電解電容器則往往需要更大的電容量或更多的并聯(lián)數(shù)。近年來(lái),不少DC/DC控制器生產(chǎn)廠家在其典型應(yīng)用電路及評(píng)估板上都采用了POSCAP。

計(jì)算實(shí)例

1、LM2745(國(guó)家半導(dǎo)體公司)

由LM2745高速同步整流降壓式控制器組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路如圖5所示。該電路輸入電壓V_IN=3.3V、VCC=3.3V(VCC是給LM2745內(nèi)部電路供電的)、輸出電壓V_OUT=1.2V、最大輸出電流I_OUT(max)=16A、開(kāi)關(guān)頻率f_sw=1000kHz?，F(xiàn)計(jì)算其電感器L1及CO1(圖5中CO1、2是CO1與CO2并聯(lián),CO2是0.1μF、16V的多層陶瓷電容器)。

圖5 由LM2745組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器

(1)△I^''_OUT的估算

因開(kāi)關(guān)頻率較高,輸出電流I_OUT(max)較大,采用20%的系數(shù),則有：

△I^''_OUT=20%I_OUT(max)=0.2×1.6A=3.2A

(2)電感器L1的計(jì)算

L1=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(△I^''_OUT×f_sw×V_IN )
=(3.3V-1.2V)×1.2V/(3.2A×1000kHz×3.3V)
=0.24μH

L1取0.22μH標(biāo)準(zhǔn)值,即L_ACT=  0.22μH

(3)紋波電流的復(fù)算

△I_OUT=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(f_sw×L_ACT×V_IN )
=(3.3V-1.2V)×1.2V/(1000kHz×0.22μH×3.3V)
=3.4A

(4)選合適的POSCAP電容器

按POSCAP樣本選額定電壓6.3V的6TPD470M,其電容量為470μF,ESR為10mΩ(max),△I_OUT(ALLOW)為4400mA,滿足選擇電容量的兩個(gè)條件。

(5)輸出紋波電壓的計(jì)算

△V_OUT=△I_OUT×ESR
=3.4A×10mΩ=34mV

由LM2745組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器評(píng)估板如圖6所示。圖中圓圈中的電容器即6TPD470M。
如果在圖5的電路上改變使用條件：V_IN=5V、V_OUT=2.5V、VCC=5V、I_OUT(max)=2A、f_sw=300kHz,則電感L1及輸出電容CO1作如何改動(dòng),計(jì)算如下。

圖6 由LM2745組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器評(píng)估板

(1)△I^''_OUT的估算

△I^''_OUT=0.4 I_OUT(max)=0.4×2A=0.8A

(2)L1的計(jì)算

L1=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(△I^''_OUT×f_sw×V_IN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(0.8A×300kHz×5V)
=5.2μH

L1取標(biāo)準(zhǔn)電感值6.8μH,即L_ACT=6.8μH

(3)△I_OUT的計(jì)算

△I_OUT=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(f_sw×L_ACT×V_IN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(300kHz×6.8μH×5V)
=0.61A

(4)選POSCAP電容器

選型號(hào)為10TPC68M,其額定電壓為10V、電容量為68μF,ESR為45mΩ,△I_OUT(ALLOW)為1.7A。符合選擇電容器的兩個(gè)條件。

(5)△V_OUT的計(jì)算

△V_OUT=△I_OUT×ESR
=0.61A×45 mΩ=27.4mV

計(jì)算的結(jié)果是,L1=6.8μH,CO1取10TPC68M,輸出紋波電壓△V_OUT =27.4mV。

2、UCC2891(德州儀器公司)

UCC2891是一種正激式降壓型DC/DC控制器,其組成的電路如圖7所示。

圖7 由UCC2891組成的典型應(yīng)用電路

使用條件：V_IN=36～75V、V_OUT= 3.25～3.35V(固定電壓)、I_OUT(max)=32A、f_sw=275～325kHz?，F(xiàn)設(shè)定V_IN=48V、V_OUT=3.3V、I_OUT(max)=30A、f_sw=300kHz,確定其電感器L1及COUT(圖中C19、C20)。計(jì)算如下：

(1)△I^''_OUT的計(jì)算(取系數(shù)為20%)

△I^''_OUT=0.2×I_OUT(max)=0.2×30=6.0A

(2)L1的計(jì)算

L1=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(△I^''_OUT×f_sw×V_IN )
=(48V-3.3V)3.3V/(6.0A×300kHz×48V)
=1.7μH

取L_ACT=2μH

(3)△I_OUT復(fù)算

△I_OUT=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(L_ACT×f_sw×V_IN )
=(48V-3.3V)3.3V/(2μH×300kHz×48V)
=5.1A

(4)選擇POSCAP電容器

選擇6TPD330M,其ESR=10mΩ,允許紋波電流△I_OUT(ALLOW)=4.4A(額定電壓6.3V、電容量330μF)。取兩個(gè)6TPD330M并聯(lián),△I_OUT(ALLOW)=2×  4.4A=8.8A,滿足電容器的兩個(gè)條件。

(5)△V_OUT計(jì)算

△V_OUT=△I_OUT×ESR/N
=5.1A×10mΩ/2=25.5mV

查UCC2891原文資料,計(jì)算結(jié)果與原文資料相符。

若使用條件改成V_IN=72V,L1、 I_OUT(max)、f_sw、V_OUT不變,計(jì)算結(jié)果：   △I_OUT=5.24A,仍取兩個(gè)6TPD330M作輸出電容。同時(shí)也證明了輸入電壓由48V升到72V時(shí),對(duì)△I_OUT影響不大,可以不改變?cè)械碾娙萜鳌?br>
由UCC2891組成的評(píng)估板如圖8所示。

圖8 由UCC2891組成的評(píng)估板

3、MAX8720(美信公司)

MAX8720是同步整流降壓式控制器,由它組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路如圖9所示。輸入電壓V_IN=7～28V、輸出電壓V_OUT=0.27～1.85V、輸出電流 I_OUT(max)=15A、開(kāi)關(guān)頻率f_sw有4種：200kHz、300kHz、550kHz和1000kHz。

圖9 由MAX8720組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

現(xiàn)設(shè)定使用條件：V_IN=12V、V_OUT=1.2V、I_OUT(max)=15A、f_sw=300kHz,計(jì)算L1及COUT。計(jì)算如下：

在△I^''_OUT的估算時(shí),系數(shù)取0.3,得4.5A;計(jì)算L1得0.8μH,L_ACT取0.8μH;計(jì)算△I_OUT得4.5A;選擇2R5TPE470M9×2(其參數(shù)：額定電壓為2.5V、電容量為470μF、最大ESR為9mΩ,最大允許紋波電流為3.9A),可滿足電容器的兩個(gè)要求。

△V_OUT計(jì)算得20.3mV。圖9中采用3×2R5TPE470M9,這可能考慮滿足不同使用條件及改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)及減小輸出紋波電壓。

圖9的電路上,COUT還并聯(lián)一個(gè)  10μF的多層陶瓷電容器。由MAX8720組成的評(píng)估板如圖10所示。

圖10 由MAX8720組成的評(píng)估板

4、LTM4600(凌特公司)

LTM4600是一種輸出10A的微型DC/DC模塊,只要外接CIN、COUT及一個(gè)確定輸出電壓的電阻,即組成完整的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。其輸入電壓范圍4.5～20V,輸出電壓范圍0.9～5V,典型應(yīng)用電路如圖11所示。

圖11 LTM4600的典型應(yīng)用電路

現(xiàn)使用條件為V_IN=12V、V_OUT=  2.5V、f_sw=800kHz、工作溫度-40～+85℃、I_OUT(max)=10A,確定其輸出電容器COUT(電感L1已做在模塊中了)。其計(jì)算如下：

(1)△I^''_OUT=0.3 I_OUT(max)=0.3×10A=3A

(2)L1=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(△I^''_OUT×f_sw×V_IN )
=(12V-2.5V)×2.5V/(3A×800kHz×12V)
=0.82μH,取L_ACT=0.8μH

(3)△I_OUT=(V_IN-V_OUT)V_OUT/(f_sw×L_ACT×V_IN )
=(12V-2.5V)×2.5V/(800kHz×0.8μH×12V)
=3.1A

(4)選擇型號(hào)為4TPE470MCL的電容器,其額定電壓為4V、電容量為470μF,ESR為12mΩ,允許紋波電流為3.5A,滿足對(duì)電容器的兩個(gè)要求。

(5)△V_OUT=△I_OUT×ESR
=3.1A×12mΩ=37.2mV

圖11中COUT還并聯(lián)了22μF/6.3V×3的陶瓷電容器(MLCC)。

計(jì)算說(shuō)明

以上的計(jì)算舉例是根據(jù)各廠家的數(shù)據(jù)資料中的典型應(yīng)用電路為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的,計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)資料的參數(shù)相符或十分接近,說(shuō)明這種計(jì)算有一定的實(shí)用價(jià)值。另外,以上計(jì)算是一種簡(jiǎn)易計(jì)算,沒(méi)有考慮電容器的允差及溫度對(duì)ESR及電容量的影響。最后需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)或修改(如增加小容量的MLCC)。

使用POSCAP有一些注意事項(xiàng),請(qǐng)參看POSCAP樣本。

參考文獻(xiàn)

1、國(guó)半公司、美信公司、凌特公司、德州儀器公司的有關(guān)DC/DC控制器的數(shù)據(jù)資料

2、三洋2005年P(guān)OSCAP電容樣本