电源设计小贴士51:了解电容器的寄生效应

大家好 我是德州仪器资深电源工程师Jack Zhang

欢迎来到电源小贴士

表中给出了三种不同类型的电容

以及各种电容的寄生参数

从中我们可以看到

每种电容都有自身的优势

比如 瓷片电容的寄生电阻和寄生电感

都非常小 但是容值较小

铝电解电容一方面容值很大

我不确定它是否更便宜

另一方面 它的寄生电阻和寄生电感

比瓷片电容大得多

这将会导致铝电解电容的高频特性比较差

铝聚合物电容基本是介于两者之间

它有一定的容值 寄生电阻ESR

介于瓷片电容和铝电解电容之间

寄生电感通常也都介于

瓷片电容和铝电解电容之间

那么 三种参数在频域中意味着什么呢

图中给出了三种电容的频率阻抗特性

蓝色代表瓷片电容

红色代表铝电解电容

绿色代表铝聚合物电容

对于瓷片电容 我们可以看到

它的阻抗比其他两种电容高很多

它的转折频率高至500KHz

所以在500KHz附近

瓷片电容的阻抗更低

这就意味着 在这个频率范围

瓷片电容的滤波性能更好

所以 当你的变换器工作在500KHz左右时

使用瓷片电容的滤波效果

要明显优于其他两种电容

红色是铝电解电容的频率阻抗特性

铝电解电容的容值

明显比瓷片电容大很多

低频时 你可以看到

几乎两个数量级的阻抗差异

我们可以发现主频段的阻抗受限于ESR

并抑制延伸至500KHz范围

500KHz范围以上时

寄生电感占主导地位

最后 绿色是聚合物电容的频率阻抗特性

它介于瓷片电容和铝电解电容之间

你会发现在中频时 铝聚合物电容的阻抗最低

而这段频率正是开关频率的工作频率范围

如果电路中使用铝聚合物电容

可以取得很好的滤波效果

综上 如果开关频率比较低

可以选择铝电解电容频率很高

瓷片电容将是合适的选择

输出电容的阻抗将决定输出纹波

我们这里画出了BUCK变换器中

3种纹波成分

红色是电容ESR产生的纹波

等于电容上的纹波电流乘以电容的ESR

纹波的形状和电容电流的纹波形状一致

第二个是绿色曲线

是电容ESL产生的纹波电压波形

ESL产生的电压纹波

就是ESL和BUCK变换器输出电感的分压

你可以看到它是一个方波

最后 蓝色曲线是输出电容本身产生的纹波

它是纹波电流的积分

计算出来时是一个平方的关系

所以 仔细观察时

纹波电压是一个很有趣的现象

你可以看到ESL和ESR产生的纹波电压

加在电容本身的纹波电压上

当电容本身的分量比较小时

ESL和ESR的纹波就决定了

输出电压纹波的最大值

如我们预料的那样

电容产生的纹波分量

跟ESL产生的纹波相位相反

好 我们看过了BUCK变换器的纹波

再来看一线深度连续模式下的

反激变换器的纹波

红色曲线是ESR产生的纹波

它和输出电容上的电流相位一致

就等于ESR乘以电源的输出纹波电流

第二根蓝色曲线

是电容本身产生的纹波

它是输出纹波电流的积分

所以是一个线性上升和下降的曲线

很容易计算第三根绿色曲线是ESL产生的纹波

你可以看到途中的曲线已经10倍衰减

所以深度连续模式下的反激

ESL产生的输出纹波电压会非常大

这就是为什么很多时候

boost和反激变换器需要两级滤波的原因

好 谢谢观看电源小贴士

敬请访问电源管理DesignLine

并搜索电源设计小贴士

或者在本视频短片的说明部分中

点击至所有文章的链接

谢谢

大家好 我是德州仪器资深电源工程师Jack Zhang

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以及各种电容的寄生参数

从中我们可以看到

每种电容都有自身的优势

比如 瓷片电容的寄生电阻和寄生电感

都非常小 但是容值较小

铝电解电容一方面容值很大

我不确定它是否更便宜

另一方面 它的寄生电阻和寄生电感

比瓷片电容大得多

这将会导致铝电解电容的高频特性比较差

铝聚合物电容基本是介于两者之间

它有一定的容值 寄生电阻ESR

介于瓷片电容和铝电解电容之间

寄生电感通常也都介于

瓷片电容和铝电解电容之间

那么 三种参数在频域中意味着什么呢

图中给出了三种电容的频率阻抗特性

蓝色代表瓷片电容

红色代表铝电解电容

绿色代表铝聚合物电容

对于瓷片电容 我们可以看到

它的阻抗比其他两种电容高很多

它的转折频率高至500KHz

所以在500KHz附近

瓷片电容的阻抗更低

这就意味着 在这个频率范围

瓷片电容的滤波性能更好

所以 当你的变换器工作在500KHz左右时

使用瓷片电容的滤波效果

要明显优于其他两种电容

红色是铝电解电容的频率阻抗特性

铝电解电容的容值

明显比瓷片电容大很多

低频时 你可以看到

几乎两个数量级的阻抗差异

我们可以发现主频段的阻抗受限于ESR

并抑制延伸至500KHz范围

500KHz范围以上时

寄生电感占主导地位

最后 绿色是聚合物电容的频率阻抗特性

它介于瓷片电容和铝电解电容之间

你会发现在中频时 铝聚合物电容的阻抗最低

而这段频率正是开关频率的工作频率范围

如果电路中使用铝聚合物电容

可以取得很好的滤波效果

综上 如果开关频率比较低

可以选择铝电解电容频率很高

瓷片电容将是合适的选择

输出电容的阻抗将决定输出纹波

我们这里画出了BUCK变换器中

3种纹波成分

红色是电容ESR产生的纹波

等于电容上的纹波电流乘以电容的ESR

纹波的形状和电容电流的纹波形状一致

第二个是绿色曲线

是电容ESL产生的纹波电压波形

ESL产生的电压纹波

就是ESL和BUCK变换器输出电感的分压

你可以看到它是一个方波

最后 蓝色曲线是输出电容本身产生的纹波

它是纹波电流的积分

计算出来时是一个平方的关系

所以 仔细观察时

纹波电压是一个很有趣的现象

你可以看到ESL和ESR产生的纹波电压

加在电容本身的纹波电压上

当电容本身的分量比较小时

ESL和ESR的纹波就决定了

输出电压纹波的最大值

如我们预料的那样

电容产生的纹波分量

跟ESL产生的纹波相位相反

好 我们看过了BUCK变换器的纹波

再来看一线深度连续模式下的

反激变换器的纹波

红色曲线是ESR产生的纹波

它和输出电容上的电流相位一致

就等于ESR乘以电源的输出纹波电流

第二根蓝色曲线

是电容本身产生的纹波

它是输出纹波电流的积分

所以是一个线性上升和下降的曲线

很容易计算第三根绿色曲线是ESL产生的纹波

你可以看到途中的曲线已经10倍衰减

所以深度连续模式下的反激

ESL产生的输出纹波电压会非常大

这就是为什么很多时候

boost和反激变换器需要两级滤波的原因

好 谢谢观看电源小贴士

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