电源设计#7 注意电容器的寄生虫

电源

电源纹波和瞬态规范确定了对所需电容量的要求。它们还对电容器的寄生元件设置了限制。
图1显示了电容器的基本寄生成分，它由等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）组成。它还绘制了三种电容器类型（陶瓷，铝电解和铝聚合物）的阻抗与频率的关系图。
表1显示了用于生成曲线的值。这些是在低压（1V – 2.5V），中等电流（5A）同步降压电源中可能找到的典型值。

表1：比较三种电容器样式，每种样式都有其优势。

在低频下，所有三个电容器均未显示任何寄生成分，因为阻抗显然仅是电容的函数。但是，铝电解电容器的阻抗停止减小，并且在相对较低的频率下开始呈现电阻性。该电阻特性持续到一个相对较高的频率，在该频率下，电容器变成了电感性的。
铝聚合物电容器是下一个偏离理想状态的电容器。有趣的是，它具有较低的ESR，并且ESL显而易见。陶瓷电容器的ESR也低，但由于外壳尺寸较小，因此其ESL小于铝聚合物电容器和铝电解电容器的ESL。

图1：寄生效应以不同方式改变陶瓷，铝和铝聚合物电容器的阻抗。

图2给出了以500 kHz工作的连续syncbuck调节器仿真的电源输出电容器波形。它使用图1中三个电容器的主要阻抗：陶瓷电容；铝的ESR；ESL用于铝聚合物。

图2：电容器及其寄生元件在连续的同步降压中产生不同的纹波电压。

红色走线是铝电解电容器，由ESR主导。因此，纹波电压与电感器纹波电流直接相关。蓝色轨迹代表陶瓷电容两端的纹波电压，该电容的ESL和ESR较小。在这种情况下，纹波电压是输出电感器中纹波电流的积分。由于纹波电流是线性的，因此会产生一系列的时间平方截面，并呈正弦曲线形状。
最后，绿色轨迹表示纹波电压，其中电容器阻抗受其ESL（例如铝聚合物）支配。在这种情况下，有一个由输出滤波电感器和ESL组成的分压器。这些波形的相对相位是预期的。
在ESL占主导地位的情况下，纹波电压会导致输出滤波器电感电流。在ESR主导下，纹波与电流同相，而在电容主导下，纹波则滞后。实际上，输出纹波电压不包括仅来自这些元件之一的电压。相反，它是所有这三个的总和。因此，期望在纹波电压波形中看到每个波形。
图3显示了在深连续的反激或升压中的波形，其中输出电容器电流在状态快速变化时既为正又为负。这在红色轨迹中很明显，红色轨迹是此电流产生的电压乘以ESR。结果是方波。电容器元件上的电压只是方波的积分。这导致线性充电和放电，如蓝色三角形波形所示。

图3：波形随连续反激或提升输出电流而变化。

最后，仅当电流在过渡期间变化时，电容器ESL两端的电压才有意义。根据输出电流的上升时间，它可能会很高。请注意，在这种情况下，绿色走线除以10，假设电流跃变为25 nS。这些明显的电感尖峰是您经常在反激或升压电源中看到两级滤波器的原因之一。
总而言之，输出电容器的阻抗有助于设置纹波和瞬态性能。随着电源频率的升高，寄生效应变得很重要，因此不容忽视。
接近20 kHz时，铝电解电容器的ESR足以控制电容阻抗。在100 kHz时，某些铝聚合物会变成感应性。当电源进入兆赫兹开关频率时，请牢记这三种风格的ESL。