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    用陶瓷電容替換鉭電解電容指南

    用陶瓷電容替換鉭電解電容指南

    • 分類:解決方案
    • 作者:億賓微電子
    • 來源:億賓微電子
    • 發布時間:2015-02-05 14:41
    • 訪問量:

    【概要描述】解決指南將電解電容器更換為MLCC的指南概要電子設備中使用有多個電容器。鋁電解電容器與鉭電解電容器等常用于需要大靜電容量的用途中,但其存在難以實現小型低背形狀,且波紋電流導致的自己發熱溫度較高等問題。但近年來,隨著MLCC電容值的不斷增加,使用于電源電路等的各種電解電容器更換為MLCC成為了可能。通過更換為MLCC,其小型低背形狀能夠節省空間,同時還有抑制波紋、提高可靠性、長壽命化等各種優點。但M

    用陶瓷電容替換鉭電解電容指南

    【概要描述】解決指南將電解電容器更換為MLCC的指南概要電子設備中使用有多個電容器。鋁電解電容器與鉭電解電容器等常用于需要大靜電容量的用途中,但其存在難以實現小型低背形狀,且波紋電流導致的自己發熱溫度較高等問題。但近年來,隨著MLCC電容值的不斷增加,使用于電源電路等的各種電解電容器更換為MLCC成為了可能。通過更換為MLCC,其小型低背形狀能夠節省空間,同時還有抑制波紋、提高可靠性、長壽命化等各種優點。但M

    • 分類:解決方案
    • 作者:億賓微電子
    • 來源:億賓微電子
    • 發布時間:2015-02-05 14:41
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    詳情

    解決指南

    將電解電容器更換為MLCC的指南

    將電解電容器更換為MLCC的指南 概要

    將電解電容器更換為MLCC的指南 概要

     將電解電容器更換為MLCC的指南總結

    為何現在要將電解電容器更換為MLCC

    MLCC的大容量化使其可用于更換電解電容器

    圖1:各類電容器的使用頻率頻帶與靜電容量范圍

    圖1:各類電容器的使用頻率頻帶與靜電容量范圍

    隨著作為電子設備主要角色的LSI與IC的高集成化,向其進行供應的電源向低電壓化趨勢發展,同時,隨著多功能化的發展,消費電力隨之增大,且形成大電流化的趨勢。為應對低電壓及大電流化,電子設備的電源開始采用分散電源系統, 從中間總線轉換器將多個小型DC-DC轉換器(POL轉換器)配置在LSI及IC等負載附近。

    POL轉換器外接有多個電容器。尤其是平滑用輸出電容器中需要很大的靜電容量,因此以往一直使用鋁電解電容器及鉭電解電容器。
    但,這些電解電容器難以小型化,因此會阻礙電路向節省空間的方向發展。同時,還存在波紋電流導致自己發熱較大等問題。

    多用于電子設備中的MLCC雖然擁有優異特性,但其靜電容量較小,因此主要用于濾波電路或高頻電路中。但近年來,隨著MLCC的電介質薄層化及多層化技術的發展,數10~100μF以上的大容量MLCC實現了產品化,從而使其可用于更換電解電容器。

    各類電容的使用注意事項

    MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器的主要特點與注意事項如下所示。在更換為MLCC時,需要了解這些電容器的優點與缺點,同時還需要知曉在使用時的注意點。
    大容量MLCC可用于更換電解電容器,但需要注意的是,其存在溫度及DC偏壓會導致較大靜電容量變化率的缺點。同時,ESR過低的特點起到了反效果,這可能會導致在電源電路中發生異常振動。
    ?問題: 為什么將MLCC作為DC-DC轉換器的輸出電容器使用時會發生異常振動?
    ?問題: 用于防止異常振動的相位補償是什么?

      MLCC
    MLCC
    鉭 電解電容器
    電解電容器
    鋁 電解電容器

    電解電容器
    主要特點
    • 小型低背
    • 高可靠性、長壽命
    • 低ESR(等效串聯電阻)
    • 無極性
    • 大容量
    • DC偏壓特性優異
    • 大容量
    • 低價
    使用注意事項
    • DC偏壓(施加直流電壓)及溫度引起的靜電容量變化較大
    • ESR較低雖然為優點,但相反會造成電源電路中的異常振動等
    • ESR較高則會因波紋電流引起較大的自己發熱。
    • 額定電壓低
    • 形狀大
    • 高溫環境下的壽命短
    • ESR較高會因波紋電流引起較大的自己發熱。
    容量大,但會因自己發熱容易導致壽命變短的電解電容器

    圖2:由波紋電流引起的電容器自己發熱比較示例(頻率:100kHz)

    圖2:由波紋電流引起的電容器自己發熱比較示例(頻率:100kHz)

    電容器的ESR會根據頻率不同而發生變化。
    將某一頻率中電容器的ESR表示為R,波紋電流表示為I,則RI2的電力出現熱損耗,從而使電容器自己發熱。

    電解電容器擁有大容量的特點,但由于其ESR過高,因此波紋電流導致發熱過大是其缺點。

    電容器可接受的波紋電流上限值稱為允許波紋電流。若使用時超過允許波紋電流時會縮短電容器的壽命。

    注:ESR與波紋電流

    圖3:ESR(等效串聯電阻)

    圖3:ESR(等效串聯電阻)

    理想的電容器是只有靜電容量的元件,但現實中,其還擁有因電極帶來的電阻成分與電感成分。電路圖中無法標識的電阻成分稱為ESR(等效串聯電阻)、電感成分稱為ESL(等效串聯電感)。

    圖4:波紋電流

    圖4:波紋電流

    直流電流雖然是以一定電壓并沿一個方向流動的電流,但電源電路的直流電流中重疊有噪聲電流等各類交流成分。例如,通過對商用交流電進行整流(全波整流)后得到的直流電流中包含有周期為商用交流電2倍的微波(波紋)狀脈動電流。同時,開關方式的DC-DC轉換器中,直流電壓重疊有開關周期的脈動電流。這些均稱為波紋電流。

    鋁電解電容器的壽命為10年

    鋁電解電容器的靜電容量大,價格低,因此廣泛使用于電子設備中,但其有使用壽命,因此在使用時需要特別注意。鋁電解電容器的壽命一般為10年左右。這是由于電解液干涸(蒸發)導致靜電容量降低而引起的(容量流失)。

    電解液的消失量與溫度有關,其基本符合被稱為"阿倫尼烏斯定律"的化學反應速度理論。該定律表示,若使用溫度上升10℃則壽命會變為原來的2分之1,若下降10℃則壽命會變為原來的2倍,因此10℃ 2倍定律。因此,在波紋電流導致自己發熱較大的條件下進行使用時,壽命將會進一步縮短。

    同時,電解液的干涸也會使ESR上升。直流電壓與波紋電壓重疊時,需要注意波紋電壓的峰值不要超過額定電壓(耐壓)。電源電路等使用額定電壓為輸入電壓3倍左右的電容器。

    圖5:各類電容器的額定電壓范圍

    圖5:各類電容器的額定電壓范圍

    圖6:壽命比較

    圖6:壽命比較

    更換為MLCC的事例 降壓型DC-DC轉換器

    更換降壓型DC-DC轉換器中的輸出電容器

    ESR與波紋電流導致的電容器發熱問題是電源電路輸出電容器中的突出問題。
    圖7是作為POL轉換器等電子設備中較為常用的降壓型小型DC-DC轉換器的基本電路。

    作為DC-DC轉換器中自己發熱問題、節省空間及提高可靠性的解決方案,將電解電容器更換為MLCC的對象主要為該輸出電容器。

    圖7:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路

    圖7:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路
    注:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路。

    圖7是作為POL轉換器等電子設備中較為常用的降壓型小型DC-DC轉換器的基本電路。轉換器的主要電路得到IC化,并通過印刷線路板外接電容器及電感器(也有內置產品)位于IC前段的電容器稱為輸入電容器(Cin)、位于后段的電容器稱為輸出電容器(Cout)。DC-DC轉換器的輸出電容器通過積蓄電荷使輸出電壓平滑化,同時起到將交流的波紋成分釋放至地線層側,并將其除去的作用。

    降壓型DC-DC轉換器中的輸出電容器特性比較

    使用如下評估線路板,對降壓型DC-DC轉換器輸出電容器的輸出電壓進行了比較。用于比較的電容器為靜電容量22μF的普通鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性高分子鋁電解電容器以及MLCC。

    圖8:各類電解電容器與MLCC的輸出電壓比較驗證 (22μF品)

    圖8:各類電解電容器與MLCC的輸出電壓比較驗證 (22μF品)
    由于MLCC的ESR較低,因此波紋電壓較小,自己發熱較少。

    根據前述條件,對靜電容量為22μF的普通鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性高分子鋁電解電容器以及MLCC分別比較了輸出電流與輸出電壓。
    ESR以及引起自己發熱的波紋電壓從大到小的順序為:普通鋁電解電容器>鉭電解電容器>功能性高分子鋁電解電容器>MLCC。 
    功能性高分子鋁電解電容器是將導電性聚合物作為電解質實現低ESR的產品,與普通鋁電解電容器相比,波紋電壓顯著變小,但其形狀較大,價格也較高。

    圖9:各類電解電容器與MLCC(B特性)的輸出行為試驗結果(22μF產品)

    圖9:各類電解電容器與MLCC(B特性)的輸出行為試驗結果(22μF產品)

    各電容器的阻抗-頻率特性、ESR-頻率特性如下所示。

    圖10:各類電容器的阻抗-頻率特性、ESR頻率特性

    圖10:各類電容器的阻抗-頻率特性、ESR頻率特性

    ESR越小的電容器,能夠將波紋電壓抑制到更小。如下述圖表所示,MLCC的特點在于ESR極小,僅為數mmΩ左右。因此,使用MLCC更換電解電容器將能夠發揮極佳的表現。

    圖11:ESR與波紋電壓的關系(開關頻率340kHz)

    圖11:ESR與波紋電壓的關系(開關頻率340kHz)
    將DC-DC轉換器中的電解電容器更換為MLCC的優點

    將DC-DC轉換器的輸出電容器從電解電容器更換為MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)不僅能夠抑制波紋,同時還可通過小型低背形狀為電路線路板帶來節省空間、長壽命化以及提高可靠性等多種優點。

    抑制波紋、高可靠性、長壽命化

    ESR較高的電解電容器會因波紋電流導致自己發熱,從而縮短壽命。
    MLCC的ESR比電解電容器降低量達到兩位數,在實現長壽命的同時提高了可靠性。

    圖12:抑制波紋

    圖12:抑制波紋

    小型化

    通過更換為小型低背形狀可使電路線路板更加節省空間。

    圖13:將鋁電解電容器更換為MLCC的圖示

    圖13:將鋁電解電容器更換為MLCC的圖示
    問題:通過增加電解電容器的容量是否可以抑制波紋電流?

    電解電容器的靜電容量增大能一定程度降低ESR。但一般情況下很難通過增加容量實現抑制波紋。這是因為隨著容量增加,時間常數也會相應增加的原因。
    電容器的充放電過程等過渡現象的響應速度是以時間常數(τ)的指標進行表示的。在由電阻(R)與電容器(C)構成額RC 電路中,時間常數τ=RC(R的單位為歐姆[Ω],C為靜電容量,單位為法拉[F])。時間常數越小,電容器充放電所需時間則越短,而時間常數越大則時間越長。
    若使用過大容量的電解電容器,時間常數也會變得極大,因此在短時間內反復開關的DC-DC轉換器中,開關OFF的時間內無法完成放電,從而電解電容器中會殘留電荷。結果無法充分降低電壓,電壓波形發生扭曲,從而使輸出不穩定,最終無法得到良好的抑制波紋的效果(圖14)。

    圖14:大容量鋁電解電容器中波形發生扭曲

    圖14:大容量鋁電解電容器中波形發生扭曲

    而在MLCC中,在較廣的頻率頻帶中ESR較低,因此不會產生以上問題,將電解電容器更換為MLCC后,可實現良好的波紋抑制效果。

    圖15:電解電容器與MLCC的阻抗與ESR

    圖15:電解電容器與MLCC的阻抗與ESR

    問題:為什么將MLCC作為DC-DC轉換器的輸出電容器使用時會發生異常振動?

    MLCC特點在于低ESR,但與鋁電解電容器相比ESR過低,因此反而引起了DC-DC轉換器輸出電壓不穩定,從而產生振動。
    如右圖所示,將DC-DC轉換器的輸出電壓與標準電壓相比,其誤差部分通過誤差放大器(Error Amplifier)發達后進行負反饋,從而得到一定的穩定直流電壓。但平滑電路的電感器(L)與電容器(C)會引起信號的相位延遲。相位延遲接近180°時會變為正反饋狀態,引起不穩定,從而產生振動。

    圖16:DC-DC轉換器的負反饋電路

    圖16:DC-DC轉換器的負反饋電路

    問題:用于防止異常振動的相位補償是什么?

    負反饋是否穩定工作可通過稱為波德圖的圖表進行判定。該圖表的橫軸表示頻率,縱軸表示增益(Gain)與相位。
    因電感器(L)與電容器(C)產生的相位延遲越接近180°,則會變為正反饋,從而輸出變得不穩定,但相位延遲在180°時通過將增益控制在1及以下(0dB及以下)時,可收斂信號,從而防止振動發生。
    因此,為減少相位延遲,通過在誤差放大器周圍連接電容器或電阻來去除相位延遲進行調整。這種方法稱為相位補償。在輸出電容器中,以往使用ESR較高的鋁電解電容器的設計中不會產生問題,但ESR較低的MLCC會發生補償不足,從而會引起異常振動,因此在更換時需要注意。

    圖17:波德圖(增益、相位-頻率特性)

    圖17:波德圖(增益、相位-頻率特性)

    TDK提供可將ESR設計為任意數值的ESR控制電容器??捎行ё鳛橄辔谎a償進行使用。詳細內容于后述"更換為MLCC的事例 去耦電容器(旁路電容)"內的問題中進行說明。
    ?問題:將MLCC用作去耦電容器時可能產生的反共振是怎樣的現象?
    ?問題:有哪些對策可防止反共振的發生?
    ?問題:ESR控制MLCC可以用于DC-DC轉換器等的相位補償中嗎?

    圖18:相位補償電路

    圖18:相位補償電路

    更換為MLCC的事例 去耦電容器(旁路電容)

    去耦電容器(旁路電容)的更換

    以往在模擬電路中,電解電容器與MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器))會用于去耦而進行并聯,但大容量MLCC實現產品化后,將電解電容器更換為MLCC的情況越來越多。

    尤其由于鋁電解電容器的ESR較大,因此降低阻抗需要較大的容量。但MLCC擁有低ESR的特點,因此無需像鋁電解電容器一樣大的容量。同時,MLCC由于其小型低背的形狀,在更換后可使電路線路板節省空間,同時還擁有長壽命,可靠性優異等優點。

    圖19:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路

    圖19:POL轉換器(降壓型DC-DC轉換器)的基本電路
    注:去耦電容器

    IC的電源線中并聯連接有電容器。這是因為電源線中存在電路圖中無法標識的阻抗,它會使電源電壓發生變動,使電路錯誤工作或在電路間引起干擾。

    因此將電容器進行并聯,在通過其充放電抑制電壓變動的同時,利用使交流通過的電容器的性質將噪音旁通至地線層側。這就稱為去耦電容器(又被稱為旁路電容)。

    圖20:去耦電容器的作用

    圖20:去耦電容器的作用

    去耦用途中,在低頻率到高頻率的大范圍頻率頻帶,呈現低阻抗的電容器較為理想,但在現實中,電容器阻抗-頻率特性呈V型曲線。

    位于V字谷底位置的頻率稱為自我共振頻率(SRF),起到電容器作用的是自我共振頻率以下的部分。因此,在去耦用途中,一般通過并聯特性不同的電容器來覆蓋大范圍頻率頻帶。

    圖21:去耦電容器的作用

    圖21:去耦電容器的作用
    將DC-DC轉換器中的電解電容器更換為MLCC的優點

    問題:將MLCC用作去耦電容器時可能產生的反共振是怎樣的現象?

    MLCC擁有低ESR的特點,但在去耦用途中,這個特點也會成為弊端。例如,將多個MLCC進行并聯,對通過大電流、低電壓驅動的IC進行去耦。電容器作為電容器發揮作用的是SRF(自我共振頻率)以下的頻率頻帶,SRF以上則起到了電感器的作用。

    因此,若2個MLCC的SRF(自我共振頻率)接近,則會形成電感器與電容器的LC并聯諧振電路,從而容易發生振動。這就是反共振現象。
    反共振會產生強烈的阻抗極值,在該頻率中噪音除去效果將會減弱,電源電壓不穩,同時會產生電路錯誤工作。

    圖22:去耦用MLCC的并聯與反共振問題

    圖22:去耦用MLCC的并聯與反共振問題

    問題:有哪些對策可防止反共振的發生? 

    TDK自行開發的全新ESR控制MLCC具有很好的效果。該電容器擁有與三端子貫穿型電容器相似的結構,其特點在于,通過與多個內部電極模式之間的組合改變積層體內的導體電阻值,實現將ESR設計為任意值。從而可實現在無需改變芯片尺寸、靜電容量與耐電壓等的情況下對ESR值進行更改的產品。

    圖23:以往產品與ESR控制MLCC的特性比較

    圖23:以往產品與ESR控制MLCC的特性比較

    圖24:通過ESR控制MLCC抑制反共振

    圖24:通過ESR控制MLCC抑制反共振

    問題:ESR控制MLCC可以用于DC-DC轉換器等的相位補償中嗎?

    可以使用且非常有效。使用復雜的電路網絡進行位相補償會產生元件數量增加的問題,但通過將其設計為最佳的ESR值后,可在控制元件數量的同時,實現穩定工作。同時,由于其生產使用與現有產品相同的材料與工藝,因此其還擁有印刷線路板的配線設計與布局等無特殊限制的優點。

    將電解電容器更換為MLCC的指南

    將電解電容器更換為MLCC時如何選擇適合客戶用途的最佳MLCC,以下對此進行說明。希望對提高客戶產品可靠性有所幫助。

    通過特性進行選擇時的注意點

    高介電常數系列請注意施加電壓造成的容量變化

    即使是優異的電容器MLCC也有弱點。MLCC會因施加的電壓不同而導致靜電容量發生變化。施加的是直流電壓時稱為DC偏壓特性(直流電壓特性)。靜電容量的變化(DC偏壓相依)在低介電常數系列(種類1)中幾乎不會出現,而會在高介電常數系列(種類2) 的陶瓷電容器中出現。

    其原因在于,高介電常數系列使用的是自發極化的強電介質(BaTiO3等)。因此,施加直流電壓進行使用時,請在選擇時考慮電介質的特性、使用電壓及耐壓等因素。同時,電容器尺寸越小,靜電容量的減少量則會越大。在選擇容量是,也需要考慮DC偏壓特性。

    圖25:靜電容量變化率-DC偏壓特性示例(高介電常數系列)

    圖25:靜電容量變化率-DC偏壓特性示例(高介電常數系列)

    圖26:DC偏壓特性造成的影響(施加3.3V時的有效靜電容量比較)

    圖26:DC偏壓特性造成的影響(施加3.3V時的有效靜電容量比較)
    用于更換電解電容器的最佳MLCC產品線

    點擊當前正在使用的電容器信息進行輸入后,將顯示MLCC產品的推薦產品。
    ※以上并非對產品適配性的保證,敬請知悉。
    ※請客戶自行對產品適配性進行充分測試后進行判斷。

    選擇用于更換電解電容器的最佳MLCC的方法 (PDF)

    TDK擁有豐富種類的可用于更換鋁電解電容器及鉭電解電容器的MLCC。同時,為抑制異常振動與反共振,還提供有可對ESR值進行控制的ESR控制MLCC??蛻艨筛鶕猛具x擇MLCC,從而提高客戶產品可靠性。

    將電解電容器更換為MLCC的指南 總結

    • 近年來,數10~100μF以上的大容量MLCC實現產品化,從而可用其更換鉭電解電容器與鋁電解電容器。
    • MLCC擁有高額定電壓、優異的波紋抑制能力、長壽命及高可靠性等特點,從民用設備到產業機器,在廣泛領域中不斷被用于更換。

    ※高介電常數系列的MLCC存在通過溫度變化與施加直流電壓會使靜電容量下降的弱點(溫度特性、DC偏壓特性)。同時,由于其擁有極低的ESR,因此反而會造成異常振動以及反共振的問題,因此在更換時需要注意。為抑制異常振動與反共振,TDK還提供有可對ESR值進行控制的ESR控制MLCC。

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