标签: 电源设计小贴士

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)   电源纹波和瞬态规格会决定所需电容器的大小，同时也会限制电容器的寄生组成设置。 图 1 显示一个电容器的基本寄生组成，其由等效串联电阻（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。 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）同步降压电源的典型值。 表 1 ：三种电容器比较情况，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。这种电阻特性不断增加，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 1 寄生对陶瓷、铝和铝聚合物电容器阻抗的改变不同   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。它使用 图 1 所示三种电容器的主要阻抗：陶瓷电容；铝ESR；铝聚合物ESL。   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，因此这导致一系列时间平方部分，并且外形看似正弦曲线。   最后，绿色线条代表纹波电压，其电容器阻抗由其ESL主导，例如：铝聚合物电容器等。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，其延迟。现实情况下，输出纹波电压并非仅包含来自这些元件中之一的电压。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 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   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和负，而具体状态会不断快速变化。红色线条清楚表明了这种情况，其电压由这种电流乘以ESR得出，结果则为一种方波。电容器元件的电压为方波的组成部分。它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的电压才明显。这种电压会非常高，取决于输出电流升时间。请注意，在这种情况下，绿色线条需除以10（假设25 nS电流过渡）。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。   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，寄生问题的影响更大、更不应忽视。在20kHz附近，铝电解电容器的ESR大到足以主导电容阻抗。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，请注意所有三种电容器的ESL。   下次，我们将讨论一种低功耗、离线式反激转换器，敬请期待。   如需进一步了解本文和其他电源解决方案的更多详情，请访问：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page 。      

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)   因其低成本的特点，铝电解电容器一直都是电源的常用选择。但是，它们寿命有限，且易受高温和低温极端条件的影响。铝电解电容器在浸透电解液的纸片两面放置金属薄片。这种电解液会在电容器寿命期间蒸发，从而改变其电气属性。如果电容器失效，其会出现剧烈的反应：电容器中形成压力，迫使它释放出易燃、腐蚀性气体。   电解质蒸发的速度与电容器温度密切相关。工作温度每下降 10 摄氏度，电容器寿命延长一倍。电容器额定寿命通常为在其最大额定温度下得出的结果。典型的额定寿命为 105 摄氏度下 1000 小时。选择这些电容器用于 图 1 所示 LED 灯泡等长寿命应用时（LED 的寿命为 25000 小时），电容器的寿命便成了问题。要想达到 25000 小时寿命，这种电容器要求工作温度不超过 65 摄氏度。这种工作温度特别具有挑战性，因为在这种应用中，环境温度会超出 125 摄氏度。市场上有一些高额定温度的电容器，但是在大多数情况下，铝电解电容器都将成为 LED 灯泡寿命的瓶颈组件。   图 1 这种 105 ℃ 电容器可能不会达到其声称的 23 年寿命   这种寿命温度依赖度实际影响了您降低电容器额定电压的方法。您首先想到的可能是增加电容器额定电压来最小化电介质失效的机率。但是，这样做会使电容器的等效串联电阻 (ESR) 更高。由于电容器一般会具有高纹波电流应力，因此这种高电阻会带来额外的内部功耗，并且增加电容器温度。故障率随温度升高而增加。实际上，铝电解电容器通常只使用其额定电压的 80% 左右。 电容器温度较低时，ESR 急剧增加，如 图 2 所示。在这种情况下，-40 o C 下，电阻呈数量级增加。这在许多方面都会影响到电源性能。如果电容器用于开关式电源的输出端，则输出纹波电压呈数量级增加。另外，在 ESR 和输出电容形成的零以上频率，它让环路增益增加一个数量级，从而影响控制环路。这会产生一个有振荡的不稳定电源。为了适应这种强震动，控制环路通常会在空间方面做出巨大妥协，并在更高温度下工作。    图 2 低温下 ESR 性能急剧下降   总之，铝电解电容器通常是最低成本的选择。但是，您需要确定其缺点是否会对应用产生不利影响。您需要通过其工作温度，考虑其寿命长短。另外，您还要适当地降低其额定电压，这样您才能实现最低温度运行，从而获得最长的使用寿命。最后，您需要理解必须使用的 ESR 范围，这样您才能正确地设计出控制环路，从而满足设计的纹波规范要求。   下次，我们将讨论一种低功耗离线式反向结构，敬请期待。   如欲了解本文以及其他电源解决方案的详情，敬请访问：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page 。      

作者：Robert Kollman   因其小尺寸、低等效串联电阻(ESR)、低成本、高可靠性和高纹波电流能力，多层陶瓷 (MLC) 电容器在电源电子产品中变得极为普遍。一般而言，它们用在电解质电容器 leiu 中，以增强系统性能。相比使用电解电容器铝氧化绝缘材料时相对介电常数为 10 的电解质，MLC 电容器拥有高相对介电常数材料 (2000-3000) 的优势。这一差异很重要，因为电容直接与介电常数相关。在电解质的正端，设置板间隔的氧化铝厚度小于陶瓷材料，从而带来更高的电容密度。   温度和 DC 偏压变化时，陶瓷电容器介电常数不稳定，因此我们需要在设计过程中理解它的这种特性。高介电常数陶瓷电容器被划分为 2 类。 图 1 显示了如何以 3 位数描述方法来对其分类，诸如：Z5U、X5R 和 X7R 等。例如，Z5U 电容器额定温度值范围为 +10 到 +85 o C，其变化范围为 +22/–56%。再稳定的电介质也存在一定的温度电容变化范围。     图 1 ： 2 类电介质使用 3 位数进行分类。注意观察其容差！   当我们研究偏压电容依赖度时，情况变得更加糟糕。 图 2 显示了一个 22 uF、6.3伏、X5S 电容器的偏压依赖度。我们常常会把它用作一个 3.3 伏负载点 (POL) 稳压器的输出电容器。3.3 伏时电容降低 25%，导致输出纹波增加，从而对控制环路带宽产生巨大影响。如果您曾经在 5 伏输出时使用这种电容器，则在温度和偏压之间，电容降低达 60% 之多，并且由于 2：1 环路带宽增加，可能产生一个不稳定的电源。许多陶瓷电容器厂商都没有详细说明这一问题。   图 2 ：注意电容所施加偏压变化而降低   陶瓷电容器的第二个潜在缺陷是，它们具有相对较小的电容和低ESR。在频域和时域中，这会带来一些问题。如果它们被用作某个电源的输入滤波电容器，则它们很容易随输入互连电感谐振，形成一个我们在《电源设计小贴士 3》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=53863 ）和《电源设计小贴士 4》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=53864 ）中讨论的振荡器。要想知道是否存在潜在问题，可将寄生互连电感估算为每英寸 15 nH，然后根据这两篇文章介绍的方法把滤波输出阻抗与电源输入电阻进行对比。第二个潜在问题存在于时域中，我们可在以太网电源 (POE) 等系统中看到它们的踪影。   在这些系统中，电源通过大互连电感连接至负载。负载通过一个开关实现开启，并可能会使用陶瓷电容器构建旁路。这种旁路电容器和互连电感可以形成一个高 Q谐振电路。由于负载电压振铃可以高达电源电压的两倍，因此在负载下关闭开关会形成一个过电压状态。这会引起意外电路故障。例如，在 POE 中，负载组件的额定电压变化可以高达电源额定电压的两倍。   第三个潜在缺陷的原因是陶瓷电容器为压电式。也就是说，当电容器电压变化时，其物理尺寸改变，从而产生可听见的噪声。例如，我们将这种电容器用作输出滤波电容器时（存在大负载瞬态电流），或者在“绿色”电源中，其在轻负载状态下进入突发模式。这种问题的变通解决方案如下：   转而使用更低介电常数的陶瓷材料，例如：COG 等。 使用不同的电介质，例如：薄膜等。 使用加铅和表面贴装技术 (SMT) 组件，可紧密贴合印制线路板 (PWB)。 使用更小体积器件，降低电路板应力。 使用更厚组件，降低施加电压应力和物理变形。   SMT陶瓷电容器存在的另一个问题是，在PWB弯曲时，由于电容器和 PWB 之间存在的热膨胀系数 (TCE) 错配，它们的软焊接头往往会裂开。您可以采取一些预防措施来减少这种问题的发生： 封装尺寸限制为 1210。 使电容器远离高曲率地区，例如：拐角区等。 使电容器朝向电路板短方向。 使电路板安装点远离边角。 在所有装配过程均注意可能出现的电路板弯曲。   总之，如果您注意其存在的一些小缺点，则相比电解电容器，多层陶瓷电容器拥有低成本、高可靠性、长寿命和小尺寸等优势。它们具有非常宽的电容容差范围，因此您需要对其温度和偏压变化范围内的性能进行评估。它们均为压电式，其意味着它们会在有脉冲电流的系统中产生可听见的噪声。最后，它们很容易出现破裂，因此我们必须采取预防措施来减少这一问题的发生。所有这些问题都有相应的解决办法。因此，MLC 电容器仍会变得越来越受欢迎。 如欲本文以及其他它电源解决方案的详情，敬请访问：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page  

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)           在本篇电源设计小贴士中，我们将继续讨论共模电流问题。如前所述我们可以使用一个机架电容将共模电流返回至电源，该电容还可以降低噪声的源阻抗。然而就我们可以使用的电容大小而言是有一个安全极限的，其决定了共模滤波器的剩余量。共模电流是由 Q1 漏极上的大 AC 开关电压产生的（请参见 图 1 ），其使得电流流经杂散电容进入机架接地。机架电容 C1 为其提供了一个在电源中返回而不会流经 AC 输入源接地连接的路径。共模电感 L1 通过在电源机架和 AC 输入源之间的路径中添加阻抗来限制共模辐射。1 MHz 时，4700 pF 机架电容的最大容许感抗为 30 Ohms。为了让所有开关产生的电流都进入到机架电容 C1，这一电感需要在高频率范围内具有高阻抗（数千欧姆）。   图 1 高阻抗共模电感 ( L1 ) 降低了辐射           更进一步观察 T2，电感位于热线和中线组合路径，差动电感不再用于降低共模电流。许多设计人员都使用 L1 漏电感进行差动滤波。由于有了电感连接（如 图 1 所示），在电感中就没有了净 DC 电流，这就是说可以使用一个高磁导率无隙磁芯。 图 2 显示了典型共模电感磁芯材料与频率之间关系的相关磁导率。就磁导率而言有真实部分 (real part) 也有复极部分 (complex part)。当复极部分与材料损耗相关时真实部分就与电感相关。由于该图表述为串联组件，因此总体阻抗为二者的矢量和。这是极具价值的，因为即使电感的真实部分在 300 kHz 频率时作用开始衰减并且在高于 1-2 MHz 时无法使用，阻抗取决于1 MHz 以上时材料的损耗情况并继续实现10 MHz 的高效率。   图 2 寻找一种具有高磁导率裕量的磁芯材料           一旦您选定了磁芯材料，接下来的最大挑战就是如何充分利用磁芯材料的高磁导性（请参见 图 3 ），该图显示了 28 mH 阻抗共模与频率的关系。在低频率时，该器就像是一个电感器，但是在高频率时其更像是一个分布电容，该电容与电感共振。由于该大电感，23 pF 分布式电容就会影响电感在 200 kHz  以上时的性能。设计一款高性能共模电感的关键就是选择扇形绕组、单个绕组并精心选择磁芯最小化绕组的数量来最小化电容。有时这些共振是不可避免的并且在较高频率时需要额外的滤波。在这些情况下，我们可以再添加一个电感来对较高频率进行滤波。           总之，出于对噪声的高源阻抗以及安全性考虑，AC 电源的共模滤波包含了若干高阻抗组件以将电容限制在机架以内。由于中间绕组电容的存在，就高频率下的高阻抗而言，要想实现上述功能，共模电感面临着很大的挑战。在选择磁芯材料时需十分谨慎，材料磁导性裕量必须一直保持在高水平。此外，必须要对分布式绕组电容进行适当控制。一个仅为 30 pF 的分布式电容就可损坏电感的阻抗。在大多数情况下，设计人员会使用串联的两个电感（每个电感在特定的频带内均能提供滤波功能）来解决这一问题。        下次，我们将讨论如何选择开关模式电源中的电容，敬请期待。        本文以及其他电源解决方案的详情，敬请访问：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page 。

  作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)   在《电源设计小贴士 40：非隔离式电源的共模电流》（http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=144511）中，我们讨论了开关级中大电压摆动如何形成共模电流的问题，并介绍了它驱动电流进入电容到机架接地的过程。在这篇《电源设计小贴士》中，我们将继续讨论共模电流的问题。   在隔离式电源中，这种情况变得更加糟糕，因为隔离变压器的次级绕组最终连接至机架接地。因此，存在相当大的初级到次级寄生电容。 图 1 显示了一个这种情况的简化示意图。       图 1 Q1 高压开关驱动 C-STRAY **模电流   这是一种离线工作的隔离式反向结构。110 伏到 220 伏 AC 输入电源经过整流，从而向功率级提供 100 伏到 400 伏DC。电源开关迅速开启和关闭，在 Q1 漏极上产生 500 伏到 600 伏开关波形，其同时也施加于电源变压器的初级绕组。这种开关电压，在变压器初级绕组到次级绕组之间的杂散电容中形成电流。该电流流经负载的预设机架接地，或者只是以电容方式接地耦合。该电流必须完成噪声返回通路，从而产生开关式电源。在没有 C1 的情况下，它流回 AC 输入电源，然后流入电源的输入线，其很可能会超出 EMI 辐射规格。   由于其高电源阻抗，这种电流的滤波特别困难。变压器的杂散电容大小级别为　100 pF，其典型电源开关频率的阻抗为10  千欧。只在电流通路中添加一个电感来减小这种电流的方法并不实际。例如，如果我们希望将电流减小 10 倍，其要求100 千欧的电抗（也即 0.1 亨），且分布电容小于10 pF，这并不现实。   电容器 C1 带来了另一种解决方案。它为电流提供了一条本地返回通路。大多数共模电流通过该电容器在电源内部回流，而不是通过 AC 输入电源回流。另外，C1 还减小了系统的电源阻抗，这样共模串联电感 L1 就变得现实了。   在共模滤波器的设计过程中，一个关键因素是 C1 值的选择。从电磁干扰 (EMI) 的角度来看，其值越大越好。更大的电容可获得更小的 EMI 信号，且电源阻抗也更低。你可以利用电容的平方原则，估计 EMI 信号的减小程度。但是，高电容也意味着机架连线的线频率电流更大。另外，这种电流还有一些安全限制，目的是减少触电事故的发生机率。当电源机架连线断裂时，人员进入电流通路便会发生触电事故，如 图 2 所示。IEC Std 601-1 将这种电流的大小限制为0.5 mA RMS，同时人们还在讨论出台更为严格的安全规定。输入为 230 伏时，IEC 可有效地将 C1 值限制为4700 pF。     图 2 C1 可以成为一种触电风险   总之，驱动寄生电容机架接地的高dV/dt 电压波形，会形成共模电流。这种电流特别难以滤波，原因是其存在高电源阻抗。滤波要求使用一个机架电容器，提供另一条本地返回通路，并降低阻抗。尽管从 EMI 滤波器的角度来看，电容越大越好，但是总电容受限于安全规定。   如欲了解本文的更多详情，敬请参阅2003 Unitrode 电源设计研讨会主题 3：www.ti.com/2003powerseminar-ca。   下次，我们将讨论如何利用共模滤波电感器在离线电源中实现共模滤波，最终达到减少 EMI 的目的。   本文以及其他电源解决方案的详情，敬请访问：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page 。