解決指南：將電解電容器替換為MLCC的指南修訂

一直以來(lái)，鋁電解電容器和鉭電解電容器都廣泛用于需要較大電容的平滑應(yīng)用和去耦應(yīng)用。隨著今年來(lái)MLCC的大容量化，在電源電路中的各種電解電容器正在被MLCC取代。因?yàn)樘鎿Q為MLCC可獲得諸多優(yōu)勢(shì)，比如可實(shí)現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間；低ESR（等效串聯(lián)電阻），可有效降低紋波電壓；自發(fā)熱更少，可提高可靠性。
值得注意的是，低ESR雖然是MLCC的優(yōu)點(diǎn)之一，但也會(huì)也會(huì)引起異常振蕩和反諧振。而且高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC的電容在施加直流電壓是會(huì)發(fā)生變化。
本指南將為您介紹將電解電容器替換為MLCC的優(yōu)點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

替換為MLCC：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容器

近年來(lái)，隨著IC（集成電路）的高度集成化，電源的電壓越來(lái)越低。此外，由于IC的多功能化，功耗隨之增加，所需電流也越來(lái)越大。為了應(yīng)對(duì)低電壓、大電流化的問(wèn)題，分布式電源系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，其中需要在負(fù)載附近部署多個(gè)小型DC-DC轉(zhuǎn)換器（POL轉(zhuǎn)換器），比如從中間母線到轉(zhuǎn)換器的IC。
DC-DC轉(zhuǎn)換器中會(huì)使用多個(gè)電容器。其中特別是用于平滑的輸出電容器所需容量較大，傳統(tǒng)上多使用鋁電解電容器和鉭電解電容器。但是，由于電解電容器的尺寸較大，所以很難減少占板空間，另外還存在紋波電流導(dǎo)致的自發(fā)熱大等缺點(diǎn)。
鑒于此，替換為MLCC是一個(gè)明智選擇。相較于電解電容器，MLCC具有更小尺寸，更低剖面和更低ESR的優(yōu)點(diǎn)。
圖1為電子設(shè)備中常用的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路。藍(lán)色標(biāo)記部分為將電解電容器替換為MLCC的輸出電容器。

圖1：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路

各種電容器的主要特征

下面展示代表性電容器MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征。

表1：MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征

MLCC具有可實(shí)現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間，通過(guò)低ESR來(lái)降低紋波電壓，進(jìn)而通過(guò)自發(fā)熱更少來(lái)提高可靠性等各種優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，作為MLCC的優(yōu)點(diǎn)低ESR也會(huì)引起異常振蕩和反諧振。另外，需要注意的是，高介電常數(shù)系統(tǒng)（種類2）的MLCC具有當(dāng)施加直流電壓時(shí)電容發(fā)生變化的特性。

替換為MLCC的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)1：可實(shí)現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間

通過(guò)替換為比鋁電解電容器更小、更矮的MLCC，可以節(jié)省電路基板的空間。

圖2：MLCC與鋁電解電容器的尺寸比較

優(yōu)點(diǎn)2：自發(fā)熱更少

首先展示47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性聚合物鋁電解電容器的阻抗、ESR頻率特性。
MLCC的阻抗和ESR的特性值都很低。

圖3：各種電容器(47μF)的阻抗、ESR頻率特性

另外，電容器的自發(fā)熱量(P) 由電容器的ESR和紋波電流 (I) 通過(guò)下列公式表示。

自發(fā)熱量（P） = ESR x 電流:I2(式1)

自發(fā)熱量:由于P與ESR成比例，因此可以看出低ESR的MLCC的自發(fā)熱量小，ESR比MLCC高的各種電解電容器的自發(fā)熱量比MLCC大。
另外，電容器的產(chǎn)品壽命會(huì)受到溫度的影響。一般已知，如果使用溫度升高10℃，產(chǎn)品的壽命就會(huì)減少1/2，即“10℃2倍定律”。紋波電流導(dǎo)致的自發(fā)熱量變大會(huì)縮短產(chǎn)品的壽命。另外，通常鋁電解電容器的產(chǎn)品壽命約為10年。

圖4：各種電容器的自發(fā)熱量

優(yōu)點(diǎn)3：降低紋波電壓

?驗(yàn)證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓
用下面的評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
輸出電容器使用了47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器和功能性聚合物鋁電解電容器。

圖5：用各種電容器（47 μ F）驗(yàn)證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

下表顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開(kāi)關(guān)頻率：300kHz時(shí)的ESR。
紋波電壓和ESR都顯示出了MLCC的最低值。

表2：各種電容器（47μF）的輸出電壓波形

紋波電壓和ESR的關(guān)系用下列公式表示。通過(guò)此公式可知降低ESR對(duì)于降低紋波電壓是有效的，低ESR的MLCC是有利的。

另外，功能性聚合物鋁電解電容器在電解質(zhì)中使用導(dǎo)電聚合物來(lái)降低ESR，與普通鋁電解電容器相比，紋波電壓有所降低，但一般尺寸稍大，價(jià)格也高。

通過(guò)增加鋁電解電容器的電容來(lái)降低紋波電壓是否有效？

我們對(duì)鋁電解電容器的電容與紋波電壓的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)估。
首先展示MLCC 47μF和普通鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗和ESR頻率特性。

圖6：MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗、ESR頻率特性

并且，在與圖5相同的評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，在輸出電容器中使用MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的條件下，測(cè)量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
結(jié)果顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開(kāi)關(guān)頻率(300kHz)下的ESR。根據(jù)結(jié)果可知隨著鋁電解電容器的電容的增加紋波電壓降低，但降低幅度變小。

圖7：MLCC47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的輸出電壓波形

如果用式2來(lái)考慮其理由，可理解為雖然電容增加會(huì)導(dǎo)致紋波電壓降低，但其影響比ESR小。
因此可理解為鋁電解電容器的電容增加難以有效地降低紋波電壓。

替換為MLCC時(shí)的注意事項(xiàng)

關(guān)于從電解電容器替換為MLCC時(shí)的注意事項(xiàng)，將為您介紹直流偏置（施加直流電壓）特性，異常振蕩和反諧振。

注意事項(xiàng)1：直流偏置（施加直流電壓）特性

高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC具有當(dāng)施加直流電壓時(shí)電容發(fā)生變化的特性，這種特性被稱為直流偏置（施加直流電壓）特性。
因此，在MLCC上施加直流電壓使用時(shí)，必須考慮直流偏置特性。

圖8：高介電常數(shù)MLCC的直流偏置特性示例

注意事項(xiàng)2：異常振蕩

作為MLCC的優(yōu)點(diǎn)的低ESR，也可能會(huì)導(dǎo)致DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不穩(wěn)定或異常振蕩。
DC-DC轉(zhuǎn)換器將輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用誤差放大器放大其誤差部分并使其進(jìn)行負(fù)反饋，從而得到相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。
此時(shí)，平滑電路的電感器和電容器會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的相位延遲。相位延遲接近180°時(shí)，會(huì)變成正反饋的狀態(tài)，導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定和異常振蕩。

圖9：直流-直流轉(zhuǎn)換器負(fù)反饋電路

?防止異常振蕩的相位補(bǔ)償

波特圖是判斷負(fù)反饋是否穩(wěn)定工作的方法。波特圖的橫軸是頻率，縱軸是增益和相位。
電感器和電容器引發(fā)的相位延遲接近180°時(shí)為正反饋，輸出趨于不穩(wěn)定。另一方面，即使相位延遲為180°，通過(guò)使增益為1以下（0dB以下），也可以收斂信號(hào)，防止異常振蕩。
因此，為了減少相位延遲，在誤差放大器的周圍連接電容器和電阻，通過(guò)消除相位延遲進(jìn)行調(diào)整。這稱為相位補(bǔ)償。
在輸出電容器使用高ESR的鋁電解電容器的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中沒(méi)有問(wèn)題，但在低ESR的MLCC中補(bǔ)償不足，有時(shí)會(huì)引起異常振蕩，因此需要注意。

圖10：波特圖(增益?相位-頻率特性)

圖11：相位補(bǔ)償電路

另請(qǐng)參閱“面向電源電路的MLCC解決方案（輸出電容器的最佳結(jié)構(gòu)驗(yàn)證）”。

注意事項(xiàng)3：反諧振

此外，在去耦應(yīng)用中使用低ESR的MLCC時(shí)也需要注意。
通常在大電流、低電壓下工作的IC去耦用電容器中，多個(gè)電容器并聯(lián)連接。在去耦應(yīng)用中，理想情況是使用在寬頻帶下低阻抗的電容器，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
多個(gè)電容器并聯(lián)連接，通常作為大電流和低電壓下操作的IC的去耦電容器。在去耦應(yīng)用中，具有寬頻帶低阻抗的電容器是理想的，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
V形底部的頻率稱為自諧振頻率（SRF）。SRF不同的MLCC并聯(lián)連接安裝后，MLCC的電容分量和寄生電感分量將形成LC并聯(lián)諧振電路。這個(gè)現(xiàn)象是反諧振。
由于反諧振會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻抗峰值，因此其頻率會(huì)降低噪聲消除效果。其結(jié)果是電源電壓不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)引起電路故障。

圖12：在去耦應(yīng)用中并聯(lián)有多個(gè)電容器

圖13:MLCC的并聯(lián)引起的反諧振

替換為MLCC時(shí)的推薦產(chǎn)品

通過(guò)選擇您使用的電解電容器的信息，可以確認(rèn)TDK MLCC的推薦產(chǎn)品。
※不保證產(chǎn)品的符合性。請(qǐng)客戶充分確認(rèn)產(chǎn)品的適用性后使用。
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總結(jié)

隨著近來(lái)MLCC的大容量化，各種電解電容器正在被MLCC取代。
通過(guò)替換為MLCC，具有可實(shí)現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間，通過(guò)低ESR來(lái)降低紋波電壓，進(jìn)而通過(guò)自發(fā)熱更少來(lái)提高可靠性等各種優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，作為MLCC的優(yōu)點(diǎn)低ESR也會(huì)引起異常振蕩和反諧振。
另外，需要注意的是，高介電常數(shù)系統(tǒng)（種類2）的MLCC具有當(dāng)施加直流電壓時(shí)電容發(fā)生變化的特性。
TDK擁有豐富的MLCC陣容，支持從各種電解電容器的置換。希望通過(guò)選用適合的MLCC，能夠助您提升產(chǎn)品的可靠性。

審核編輯：湯梓紅