2021 多層陶瓷電容器在POL應(yīng)用中的作用

如今電源設(shè)計(jì)工程師需要考慮許多設(shè)計(jì)方面和優(yōu)先事項(xiàng)。設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)往往按以下順序排列：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制器、FET 開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器(如果是獨(dú)立的)、磁性元件、無(wú)源功率元件，最后是要使用的多層陶瓷電容器(MLCC)和數(shù)量。只要MLCC可以滿足設(shè)計(jì)需求，至少在數(shù)據(jù)表上，MLCC仍然是低優(yōu)先級(jí)。雖然，電源轉(zhuǎn)換器中的所有器件都很重要，但是，MLCC在涉及眾多參數(shù)的電源設(shè)計(jì)中扮演著多重角色。

1.什么是多層陶瓷電容器(MLCC)

MLCC以其小尺寸、高電容密度和低等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感(ESL)值而聞名。但是，MLCC供應(yīng)商提供的典型參數(shù)是外殼尺寸、電容和容差、溫度特性和額定電壓。電源設(shè)計(jì)人員需要了解有效電容(實(shí)際在線電容)、ESR和ESL值、紋波電流(RC)處理和成本。一些電源設(shè)計(jì)專門針對(duì)給定輸出電容器解決方案的最小電容(C值)以及最大ESR和ESL值。在高瞬態(tài)應(yīng)用中尤其如此。

圖1顯示了MLCC等效電路模型，其中磁滯電阻(Rh)是一個(gè)與頻率相關(guān)的值(與所使用的介電材料及其各自的極化延遲有關(guān))，并在ESR-/Z/中反映為變化的ESR值對(duì)頻曲線如圖2所示：

由溫度引起的電容變化有據(jù)可查，取決于介電材料，并在定義的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生已知的電容變化。然而，影響有效電容的另一個(gè)因素是施加的直流電壓，通常稱為“直流偏置效應(yīng)”。隨著施加的DC電壓增加，介電常數(shù)(K)和電容都作為暫時(shí)現(xiàn)象下降。此外，隨著施加的交流電壓降低，有效C值也會(huì)降低。在紋波電壓控制至關(guān)重要的低壓應(yīng)用中，例如在CPU的Vcore設(shè)計(jì)中，這種AC相關(guān)的降低很重要。參見圖3。

MLCC的ESR值取決于許多參數(shù)。關(guān)鍵因素包括：

①外殼尺寸

②層數(shù)

③內(nèi)電極材料、厚度、共面性、密度和長(zhǎng)寬比

④施加的直流電壓(如電容)

⑤頻率

MLCC的ESL值由外殼尺寸及其內(nèi)部電極的長(zhǎng)/寬縱橫比決定。ESL通常是根據(jù)案例大小給出的。此外，外部終端的數(shù)量及其配置也會(huì)影響ESL。盡管不存在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但紋波電流額定值與I2x ESR損耗導(dǎo)致的特定自身溫升有關(guān)，這會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，紋波電流值取決于頻率和直流電壓，其曲線是ESR曲線的倒數(shù)。典型的MLCC RC與頻率曲線如圖4a所示：

這是針對(duì)指定的自溫升(ΔT)最大值。最大允許ΔT可能因供應(yīng)商而異。圖4a將ΔT列為+20℃，這對(duì)于額定高達(dá)+85℃或+125℃的電容器來(lái)說(shuō)非常保守。在較低的環(huán)境溫度下，MLCC可以承受更高的紋波電流，但仍能滿足額定溫度( T操作= T環(huán)境+ ΔT)。在此示例中，MLCC紋波電流能力范圍為0.25A (1000 Hz) 至2.25A (1MHz)。為了設(shè)計(jì)合適的輸出電容器解決方案，必須擁有準(zhǔn)確的電容器頻率相關(guān)信息。此外，MLCC供應(yīng)商可能會(huì)提供RC與溫升的關(guān)系，但必須指定生成曲線的頻率。這方面的一個(gè)例子如圖4b所示。

2.MLCC在POL中的作用

2.1低通輸出濾波器(有時(shí)稱為RF輸出濾波器)

在降壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電感器(L)的值與等效輸出電容器C值一起形成低通濾波器(LPF)。該濾波器的頻率響應(yīng)具有轉(zhuǎn)角頻率fc，位于：

它用于去除轉(zhuǎn)換器的基本開關(guān)頻率(Fsw)及其后續(xù)諧波，還用于將任何交流成分和開關(guān)瞬變與流向輸出負(fù)載的所需直流電流去耦。這還包括幫助平滑輸出電感器的三角電流波形。為了獲得適當(dāng)?shù)男阅?，低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率需要遠(yuǎn)低于Fsw。因此，需要考慮輸出MLCC的C值、其在各種條件下的容差和穩(wěn)定性，包括直流偏置效應(yīng)。

2.2紋波電壓抑制(平滑)

紋波電壓(假設(shè)負(fù)載為穩(wěn)態(tài))是降壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通和關(guān)斷期間負(fù)載和輸出電容器兩端的輸出電壓差。在導(dǎo)通期間，通過(guò)電感器提供AC+DC電流，AC電流流入輸出電容器進(jìn)行充電(達(dá)到某個(gè)最大電壓電平)，DC電流流向負(fù)載。

在關(guān)閉周期期間，能量開始從輸出電感器流失(通過(guò)磁場(chǎng)的衰減)，因?yàn)闆](méi)有輸入電流被提供，輸出電容器成為次級(jí)(如果處于連續(xù)傳導(dǎo)模式，CCM)或唯一的能源(如果處于非連續(xù)導(dǎo)通模式，則為 DCM)。當(dāng)存儲(chǔ)的能量為E =1/2CV2時(shí)，輸出電容器向負(fù)載提供電流，并且隨著能量從電容器中排出，電壓電平開始下降(又名電壓下降或Vdroop)在關(guān)閉周期的剩余時(shí)間。壓降量取決于負(fù)載電流、輸出電感值、關(guān)斷時(shí)間和總C值(較高 = 更好的抑制)和ESR值(越低越好，因?yàn)檫@會(huì)降低內(nèi)部電壓降V=I x R)和輸出電容器的ESL(更低= 更快響應(yīng))。設(shè)計(jì)人員需要了解每個(gè)MLCC的每一個(gè)，以便確定系統(tǒng)C、ESL和ESR值。用于計(jì)算最小C值的許多等式之一是：

其中I紋波是允許的紋波電流，Vripple是允許的紋波電壓。更高的Cout值意味著更高的成本。

2.3紋波電流處理

紋波電流是在導(dǎo)通周期(流入電容器)和關(guān)斷周期(流出電容器)期間流入和流出輸出電容器的電流之差。由于I2 x ESR功率損耗，內(nèi)部變化的電容器交流電流會(huì)導(dǎo)致自身溫度升高。為了適應(yīng)更高的紋波電流，設(shè)計(jì)人員需要使用更低ESR的電容器(即更高電容或?qū)Ｓ肕LCC)或使用更多的現(xiàn)有電容器，這也減少了任何電容器的電流量。如果沒(méi)有設(shè)計(jì)足夠的紋波電流處理能力，根據(jù)溫度升高的程度、環(huán)境溫度和持續(xù)時(shí)間，可能會(huì)發(fā)生潛在的MLCC故障。

對(duì)于許多降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，輸出電容器選擇的控制因素是紋波電流處理能力。因此，MLCC的關(guān)鍵參數(shù)是ESR(最大值)值和紋波電流(最小值)額定值。

2.4儲(chǔ)能

如前所述，存儲(chǔ)在電容器中的能量為E=1/2CV2。C值越大，存儲(chǔ)的能量越多。但設(shè)計(jì)人員需要將能量存儲(chǔ)需求與尺寸、重量、數(shù)量、電路板空間、頻率響應(yīng)、產(chǎn)品壽命(老化效應(yīng))和成本權(quán)衡進(jìn)行比較。紋波電壓、紋波電流、壓降、系統(tǒng)ESR值和每個(gè)電容器的紋波電流處理能力都會(huì)影響所需的C值，從而影響輸出電容器的能量存儲(chǔ)。就電壓和電容而言，能量存儲(chǔ)決定了在關(guān)閉周期或斷電情況下的“保持”時(shí)間有多長(zhǎng)。對(duì)于此關(guān)鍵功能，C值、容差、溫度和DC偏置效應(yīng)是關(guān)鍵的MLCC參數(shù)。

2.5瞬態(tài)響應(yīng)

在電力電子的復(fù)雜現(xiàn)實(shí)世界中，負(fù)載可能會(huì)發(fā)生變化并具有相當(dāng)于每微秒數(shù)百安培(di/dt)或更高(例如：服務(wù)器CPU)的負(fù)載升壓(即負(fù)載增加)。對(duì)于這些情況，轉(zhuǎn)換器(或電壓調(diào)節(jié)器，VR)無(wú)法響應(yīng)，因?yàn)樗枰却硞€(gè)反饋信號(hào)通知它存在負(fù)載變化。同樣，通過(guò)輸出電感器的電流不能立即改變，因此不能足夠快地做出反應(yīng)，因?yàn)樗枰谀軌蛱峁┴?fù)載所需的額外電流之前建立其磁場(chǎng)。能夠滿足這些極端要求的唯一能源是配電網(wǎng)絡(luò)(PDN) 中的輸出電容器。

由于其低ESR和ESL值，MLCC是少數(shù)可以在高di/dt事件期間提供所需性能的電容器技術(shù)之一。然而，標(biāo)準(zhǔn)配置的MLCC仍然無(wú)法在最嚴(yán)格的應(yīng)用中提供所需的性能。電容器的內(nèi)部ESL必須首先“飽和”，即在能夠開始響應(yīng)負(fù)載變化之前建立抑制電流流動(dòng)的小磁場(chǎng)(H)。因此，像反向幾何電容器這樣的特殊電容器，其終端放置在MLCC側(cè)或具有特殊內(nèi)部電極配置和多終端的MLCC，可顯著降低ESR和ESL。

在MLCC能夠?qū)ω?fù)載變化做出反應(yīng)之前，如果輸出電容器無(wú)法在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提供負(fù)載電流，直到其他能源可用，系統(tǒng)電壓電平將開始下降并可能降至臨界最低電平以下(例如CPU的Vcc容差)也開始反應(yīng)。低ESR/ESL MLCC是最小化電壓下降的第一道防線，但可能沒(méi)有足夠的大容量能量存儲(chǔ)來(lái)完全獨(dú)立完成。

在瞬態(tài)事件期間，MLCC響應(yīng)首先受到其ESL的限制，其最初禁止電流流出(最接近負(fù)載的)電容器。下一階段的響應(yīng)由ESL和ESR主導(dǎo)，并涉及下一組電容器。第三階段取決于ESR和C值，涉及大容量存儲(chǔ)電容器，最后，其他存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生恢復(fù)，VR開始提供更多電流。輸出電容器內(nèi)電壓下降的其它者的基本公式為：

其中：(等式3是高頻瞬變);

對(duì)于圖5a中的多電容器技術(shù)解決方案的模擬響應(yīng)，對(duì)于圖5b中所示的PDN網(wǎng)絡(luò)：

在瞬態(tài)響應(yīng)場(chǎng)景中，ESL 至關(guān)重要，MLCC 供應(yīng)商繼續(xù)努力尋求更低的解決方案。設(shè)計(jì)人員將每種輸出電容器技術(shù)的最大值作為目標(biāo)，并減少 PCB 布局雜散電感。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是 ESR，通常重點(diǎn)是最小化該值以滿足最大目標(biāo)。最后，需要電容值及其大量能量存儲(chǔ)來(lái)提供能量，直到轉(zhuǎn)換器的控制回路可以響應(yīng)并且轉(zhuǎn)換器開始向負(fù)載提供能量并對(duì) PDN 中的電容器充電。在這里，設(shè)計(jì)人員通常需要針對(duì)每種電容器技術(shù)的系統(tǒng)最小值。

2.6拋負(fù)載

另一個(gè)極端情況是負(fù)載(能量)傾倒，當(dāng)電流需求突然減少(負(fù)載降壓)時(shí)也會(huì)發(fā)生這種情況。例如當(dāng)CPU進(jìn)入空閑模式時(shí)。在這里，在高負(fù)載電流需求期間，磁性元件被儲(chǔ)存的能量(E = 1/2LI2) 飽和。當(dāng)?shù)诫娫吹呢?fù)載路徑不再存在時(shí)，唯一剩下的電流出口是通過(guò)輸出電容器。因此，設(shè)計(jì)工程師需要考慮電感值的權(quán)衡。值太小會(huì)導(dǎo)致紋波過(guò)多，而值太高可能會(huì)存儲(chǔ)太多能量，需要額外的輸出電容器來(lái)處理負(fù)載突降。

流向電容器的電流增加會(huì)產(chǎn)生更高的功率損耗(Ploss = I2 x ESR)，并且可能會(huì)導(dǎo)致熱問(wèn)題，就像上面提到的高紋波電流一樣。此外，隨著流入電容器的電流增加，現(xiàn)在可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的電壓尖峰。因此，設(shè)計(jì)人員需要平衡電感值及其存儲(chǔ)能量與輸出電容及其能量存儲(chǔ)能力，并確保有足夠的電容、足夠低的ESR來(lái)處理電感釋放的能量。

2.7瞬態(tài)電壓尖峰抑制

如上所述，瞬態(tài)事件可以是負(fù)載升高或負(fù)載降低。由于輸出電感電流的壓擺率增加快于減少(當(dāng)Vin>Vout時(shí))，因此降壓期間的瞬態(tài)更為關(guān)鍵。在降壓變化期間，就像負(fù)載突降一樣，電感電流不再 100% 流向負(fù)載，因?yàn)槠湫枨笠汛蠓陆?。因此，大部分電流現(xiàn)在必須流經(jīng)輸出電容器，因?yàn)椋?/p>

其中IL是電感電流，IO是輸出負(fù)載電流，IC是通過(guò)電容器的電流。如圖6所示：

此外，就在降壓瞬態(tài)事件之前，如果處于恒定的高負(fù)載，輸出電容器的電壓將處于或接近其最大值。因此，由于內(nèi)部ESR和ESL兩端的大電流流經(jīng)電容器，因此預(yù)先存在的電容器電壓和電壓降會(huì)在瞬態(tài)期間在電容器和負(fù)載兩端引入電壓尖峰。降壓瞬變期間的輸出電壓波形可以計(jì)算為：

哪些是之前給出的組合V下降方程，但電流現(xiàn)在流入輸出電容器并導(dǎo)致電壓增加?從微觀層面來(lái)看，反應(yīng)較慢的電感器電流IL無(wú)法滿足快速變化的負(fù)載電流IO需求，因此IC會(huì)通過(guò)輸出電容器的 ESR C及其ESL C。預(yù)先存在的電容器電荷以及ESR C和ESL C電壓都從瞬態(tài)期間產(chǎn)生的輸出電壓尖峰下降。該電壓尖峰然后持續(xù)到能量從輸出電感器IL耗盡 并且電壓調(diào)節(jié)器現(xiàn)在已經(jīng)自我調(diào)整以提供減少的電流。

CPU和VR等智能系統(tǒng)包含自適應(yīng)電壓定位(AVP) 等功能，有助于減少敏感應(yīng)用中瞬態(tài)電壓尖峰的影響，但大部分負(fù)擔(dān)仍落在輸出電容器上，因此，它們的ESR和ESL值對(duì)于最小化瞬態(tài)電壓尖峰的峰值至關(guān)重要。這些值越低，電壓尖峰峰值越低。

以上就是多層陶瓷電容器在POL應(yīng)用中的作用介紹了。此外多層陶瓷電容器還具有控制回路補(bǔ)償和穩(wěn)定性、相位和置零、EMI 抑制和負(fù)載旁路、負(fù)載線阻抗匹配、負(fù)載噪聲過(guò)濾以及效率提升等作用。而且在設(shè)計(jì)完成之前，需要對(duì)每個(gè)功能和相應(yīng)的電容器解決方案進(jìn)行計(jì)算、建模、仿真和測(cè)試。

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審核編輯黃宇