固态电容器的应用
发布时间：2022.04.24
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固态电容器的应用
一 •固态电容器的消除纹波能力
小型化时开关电源的发展方向，但电容器在线路板的元件中是占很大面积的元件之一。而且 电容器的特性一般还随着使用温度的波动而产生很大的变化，因此需要按照使用温度范围来 选择电容器。
通过下列实验显示在宽广的使用温度范围内，固态电容器在高频率下消除纹波的能力。
1-1.相同纹波电压时电容的数量不同
1）实验内容
使用一般的降压型开关电源，将使用温度分别设定为25℃、-20℃、70℃，输出平滑电容器分别使用固态电容器、低阻抗铝电解电容器、低等效串联钽电容器，对输出剩余纹波电压进行比较。
上图所示测试电路的输出平滑电容器（C）使用固态电容器100uF/6.3WV(6.3mmx6mm），测定了周围温度分别为25℃、-20℃、70℃时的纹波电压值。
接着，与使用固态电容器100uF/6.3WV时同等的剩余纹波电压，选择低阻抗铝电解电容器和低等效串联电阻钽电容器，在各温度下（25℃、-20℃、70℃）进行测定。
最后，在25℃时的条件下，使用同等数量的输出平滑电容器，测定各温度下（-20℃、70℃）的剩余纹波电压，从其变化量中求出平滑电容器的等效串联电阻变化率。
1-2.耐久性试验qi前后纹波电压的不同
1）实验内容
使用降压型开关电源，输出平滑电容器分别采用固态电容器，低阻抗铝电解电容器。在耐久性试验（125℃×额定电压×100h）前后比较输出纹波电压的变化。纹波电压的测量在25℃、0℃、-20℃的周围环境中进行。
二•固态电容器的高速保护能力 （负荷变动用保护电容器）
最新电子机器上使用的IC,特别时MPU的处理速度正在向高速化发展，同时为了提高密集 度而降低使用电压，压缩线路密度。伴随着低电压化，今后的MPU的负载电流呈增加的趋势。 高速大负荷变动的负载电流的急剧变化，会带来电源线路的变动直接引起MPU的误动作。 固态电容器的卓越的保护能力与其他电容器的比较评价结果如下：
2 -2.试验结果
1）同等容量比较
如下图在同等容量下进行比较时，电源线路的电压下降相对于固态电容器的104mV,低阻 抗铝电解电容器为548 mV（约为固态电容器的5. 3倍），低等效串联电阻电容器为212 mV（约为固态电容器的2倍）
2）A：选择能够得到同等程度的负荷变化的电容器
如下图所示要得到与1OSP100M同等程度的电压下降，使用低阻抗电解电容器需要容量 在1500UF以上，使用低等效串联电阻坦电容器需要22OUFX2以上。
B： A电容器在低温（-20摄氏度 使用时的比较）
如下图在低温情况下进行比较时固态电容器没有变化，低阻抗电解电容器的电压下降 约为3.2倍，低ESR担电容器的电压约为1.2倍。
三、在低通滤波线路上的应用
为了出去电源线路的噪声，可以采用下图所示的低通滤波。
近年来，具有小型化和高效率特点的开关电源被广泛应用，但另一方面开关电源又会成为 很大的噪声源。数字线路也是一种噪声发生源，所以在数字线路中配合有不耐噪声的模拟线 路的装置中，几乎全部都在模拟线路的电源线路上连接这类低通滤波，以防止高频噪声进入 模拟线路。
电容器的等效串联电阻可以影响滤波的衰减率，等效串联电阻越低，其衰减效果越理想。这 是因为电容器的静电容量与等效串联电阻成分产生零点，高于零点频率的高频率在 +20dB/dec时将抵抗衰减效果。就是说，LC滤波从-40dB/dec至-20dB/dec, RC滤波从 -20dB/dec至0时，衰减效果消失。
因此，即使增加电容器的静电容量也无降噪效果的现象，多是受这种零点现象的影响。 固态电容器的等效串联电阻小，所以应用在低通滤波上最有效果。
下面，通过与铝电解电容器相比较，来看一下实际的衰减效果。
用于，用比较的电容器如下：
•固态电容器：16V/33UF、等效串联电阻=37mΩ（16SA33M）※等效串联电阻为实测值。
•铝电解电容器：10V/33UF、等效串联电阻=1410mΩ
不论在任何情形下，固态电容器的衰减效果都可维持到高频范围。
这只是在常温下进行的测定，若在低温下（尤其是在0 °C以下）测试，其差异会更加明显。 这是因为铝电解电容器的等效串联电阻在低温下会极度增加，而固态电容器的等效串联电阻 在低温下也几乎不发生变化，从而不影响滤波的衰减效果。
四、用于开关电源的平滑电容器
选用开关电源的输出平滑电容器时，为了抑制输出纹波电压，所选用的电容器的等效串联电 阻（ESR）越小越好，然而使用ESR小的电容器有可能发生输出电压的异常振荡。
输出电压发生异常振荡的可能性因所采用的控制方式及降压型、升压型等所谓线路方式也 有所不同，在此就输出电压振荡的构成和处理方法，以及关于电压控制方式以降压型开关控 制器为例进行说明。
1.输出电压的异常振荡
在开关电源上为了稳定输出电压通常设有负反馈线路。
图1为控制部分简图。
输出电压和基准电压Vref的误差通过误差放大器放大后，在通过PWM 比较转换为数字信号来开合开关Q1,输入电压Vin通过开关Q1变为矩形波，再通过电感L 和电容器Gout平滑得到直流输出电压Vouto
因此，L和Cout形成了 2次低通滤波。
输出LC滤波的频率变化如图2网状图所示。另外，误差放大器为负反馈线路相位原本滞后 180度，所以当输出LC滤波的相位滞后与误差放大器的相位滞后重复达到360度时输出电 压就会发生振荡。在此我们考虑一下何为最理想的LC滤波。LC滤波的衰减率为-40dB/dec, 器截止频率为形成图2所示的增益（Gain）和相位（Phase）。
理想的LC滤波相位滞后180度，照此会发生振荡。事实上频率特性如实践所示，在一定频 率数以上增益的衰减率从-40dB/dec到-20dB/dec变化，相位滞后至90度。这是因为Gout
的容量值和ESR形成一次超前线路，在O频率
以后增益的衰减率为+20dB, 加入了+90度的相位超前。
然而，使用ESR小的电容器LC滤波达到了更高的频率带，LC滤波相位滞后接近180度从而 容易发生振荡。为防止输出电压发生振荡，在一般负反馈线路上，相位需要留有30-40度以 上的余量。相位的余量是指相位的下限值至-180度的数值，相位的余量越小，构件的性能 差及温度变化引起振荡的可能性越大。
2.防止发生振荡的方法
通过利用误差放大器反馈线路的相位修正，可以防止输出电压的振荡。相位修正路线有很多种，对于电压控制方式开关电源采用下列相位修正线路最为有效。
在图3中2和4形成1次超前线路，1和3形成1次滞后线路，通过调整这些线路，在LC 滤波的频率特性中相位最下限的频率带进行发生相位超前的相位修正，改善负反馈线路整体的相位滞后。图4就是其调整例。
图2的输出滤波的相位约在10KHz附件达到最低点，在此频率上相位超前约有30度。因此，即使LC滤波的相位滞后接近180度也有约30度的余量，从而可以防止输出电压的振荡。
1. 防止振荡的具体实例
下面，介绍以下具体的设计实例。
图5是使用罗姆公司制造的电源控制IC进行的降压型DC-DC转换器设计实例。
如下求出将输出纹波电压调为20mVp-p所需要的输出电容器等效串联电阻。 等效串联电阻(ESR) 选择以下电容器:
1） 固态电容器
6V/1 0 OMf 1 P C 6.3ØX6L等效串联电阻（ESR） =32 mΩ※等效串联电阻为 实测值
2） 铝电解电容器
6V/180UF 3P C S并联10ØX8L等效串联电阻（ESR） =128 mΩ/个→合计等效 串联电阻（ESR） =43mΩ
照片1 （a） （b）是使用上述电容器的测定线路。以下将验证在加入最佳的相位补偿线路的情况下，与铝电解电容器相比，使用固态电容器能达到的小型化的原因。
4.使用铝电解电容器时的设计实例
使用铝电解电容器时，输出LC滤波的频率特性如图6所示，相位有充足的余地，甚至无需进行相位补偿。因此，相位补偿线路使用图7所示的线路即足够。
使用图7所示的相位补偿线路（实际上不进行相位补偿），其综合频率特性如图8所示，可 以说存在充足的相位余地。
图9列出输出纹波电压波形。
5.使用固态电容器时的设计实例
若在使用铝电解电容器的电源线路上，不改变相位补偿线路而直接换成固态电容器时，输出 电压将发生振荡（图10）。这是因为，换成低等效串联电阻的固态电容器后，输出LC滤波 的频率特性将从使用铝电解电容器时的图6状态变为图11状态，但由于未改变相位补偿新 线路，所以相位余量消失。
如图11所示，当LC濾波基木没有相位余量时，使用图12所示的相位补偿线路，可进行适宜的相位补偿。
这是因为相位变慢的部分在图12中的Zi, Zc形成相位加快，从而消除了相位变慢。因此，绿合频率特性如图13所示, 其相位余地也很充足，输出纹波电压波形图（14）也基木与铝电解电容器相同。
6.开关电源的输出波形对实际图像的影响
一 •固态电容器的消除纹波能力
小型化时开关电源的发展方向，但电容器在线路板的元件中是占很大面积的元件之一。而且 电容器的特性一般还随着使用温度的波动而产生很大的变化，因此需要按照使用温度范围来 选择电容器。
通过下列实验显示在宽广的使用温度范围内，固态电容器在高频率下消除纹波的能力。
1-1.相同纹波电压时电容的数量不同
1）实验内容
使用一般的降压型开关电源，将使用温度分别设定为25℃、-20℃、70℃，输出平滑电容器分别使用固态电容器、低阻抗铝电解电容器、低等效串联钽电容器，对输出剩余纹波电压进行比较。
上图所示测试电路的输出平滑电容器（C）使用固态电容器100uF/6.3WV(6.3mmx6mm），测定了周围温度分别为25℃、-20℃、70℃时的纹波电压值。
接着，与使用固态电容器100uF/6.3WV时同等的剩余纹波电压，选择低阻抗铝电解电容器和低等效串联电阻钽电容器，在各温度下（25℃、-20℃、70℃）进行测定。
最后，在25℃时的条件下，使用同等数量的输出平滑电容器，测定各温度下（-20℃、70℃）的剩余纹波电压，从其变化量中求出平滑电容器的等效串联电阻变化率。
1-2.耐久性试验qi前后纹波电压的不同
1）实验内容
使用降压型开关电源，输出平滑电容器分别采用固态电容器，低阻抗铝电解电容器。在耐久性试验（125℃×额定电压×100h）前后比较输出纹波电压的变化。纹波电压的测量在25℃、0℃、-20℃的周围环境中进行。
二•固态电容器的高速保护能力 （负荷变动用保护电容器）
最新电子机器上使用的IC,特别时MPU的处理速度正在向高速化发展，同时为了提高密集 度而降低使用电压，压缩线路密度。伴随着低电压化，今后的MPU的负载电流呈增加的趋势。 高速大负荷变动的负载电流的急剧变化，会带来电源线路的变动直接引起MPU的误动作。 固态电容器的卓越的保护能力与其他电容器的比较评价结果如下：
2 -2.试验结果
1）同等容量比较
如下图在同等容量下进行比较时，电源线路的电压下降相对于固态电容器的104mV,低阻 抗铝电解电容器为548 mV（约为固态电容器的5. 3倍），低等效串联电阻电容器为212 mV（约为固态电容器的2倍）
2）A：选择能够得到同等程度的负荷变化的电容器
如下图所示要得到与1OSP100M同等程度的电压下降，使用低阻抗电解电容器需要容量 在1500UF以上，使用低等效串联电阻坦电容器需要22OUFX2以上。
B： A电容器在低温（-20摄氏度 使用时的比较）
如下图在低温情况下进行比较时固态电容器没有变化，低阻抗电解电容器的电压下降 约为3.2倍，低ESR担电容器的电压约为1.2倍。
三、在低通滤波线路上的应用
为了出去电源线路的噪声，可以采用下图所示的低通滤波。
近年来，具有小型化和高效率特点的开关电源被广泛应用，但另一方面开关电源又会成为 很大的噪声源。数字线路也是一种噪声发生源，所以在数字线路中配合有不耐噪声的模拟线 路的装置中，几乎全部都在模拟线路的电源线路上连接这类低通滤波，以防止高频噪声进入 模拟线路。
电容器的等效串联电阻可以影响滤波的衰减率，等效串联电阻越低，其衰减效果越理想。这 是因为电容器的静电容量与等效串联电阻成分产生零点，高于零点频率的高频率在 +20dB/dec时将抵抗衰减效果。就是说，LC滤波从-40dB/dec至-20dB/dec, RC滤波从 -20dB/dec至0时，衰减效果消失。
因此，即使增加电容器的静电容量也无降噪效果的现象，多是受这种零点现象的影响。 固态电容器的等效串联电阻小，所以应用在低通滤波上最有效果。
下面，通过与铝电解电容器相比较，来看一下实际的衰减效果。
用于，用比较的电容器如下：
•固态电容器：16V/33UF、等效串联电阻=37mΩ（16SA33M）※等效串联电阻为实测值。
•铝电解电容器：10V/33UF、等效串联电阻=1410mΩ
不论在任何情形下，固态电容器的衰减效果都可维持到高频范围。
这只是在常温下进行的测定，若在低温下（尤其是在0 °C以下）测试，其差异会更加明显。 这是因为铝电解电容器的等效串联电阻在低温下会极度增加，而固态电容器的等效串联电阻 在低温下也几乎不发生变化，从而不影响滤波的衰减效果。
四、用于开关电源的平滑电容器
选用开关电源的输出平滑电容器时，为了抑制输出纹波电压，所选用的电容器的等效串联电 阻（ESR）越小越好，然而使用ESR小的电容器有可能发生输出电压的异常振荡。
输出电压发生异常振荡的可能性因所采用的控制方式及降压型、升压型等所谓线路方式也 有所不同，在此就输出电压振荡的构成和处理方法，以及关于电压控制方式以降压型开关控 制器为例进行说明。
1.输出电压的异常振荡
在开关电源上为了稳定输出电压通常设有负反馈线路。
图1为控制部分简图。
输出电压和基准电压Vref的误差通过误差放大器放大后，在通过PWM 比较转换为数字信号来开合开关Q1,输入电压Vin通过开关Q1变为矩形波，再通过电感L 和电容器Gout平滑得到直流输出电压Vouto
因此，L和Cout形成了 2次低通滤波。
输出LC滤波的频率变化如图2网状图所示。另外，误差放大器为负反馈线路相位原本滞后 180度，所以当输出LC滤波的相位滞后与误差放大器的相位滞后重复达到360度时输出电 压就会发生振荡。在此我们考虑一下何为最理想的LC滤波。LC滤波的衰减率为-40dB/dec, 器截止频率为形成图2所示的增益（Gain）和相位（Phase）。
理想的LC滤波相位滞后180度，照此会发生振荡。事实上频率特性如实践所示，在一定频 率数以上增益的衰减率从-40dB/dec到-20dB/dec变化，相位滞后至90度。这是因为Gout
的容量值和ESR形成一次超前线路，在O频率
以后增益的衰减率为+20dB, 加入了+90度的相位超前。然而，使用ESR小的电容器LC滤波达到了更高的频率带，LC滤波相位滞后接近180度从而 容易发生振荡。为防止输出电压发生振荡，在一般负反馈线路上，相位需要留有30-40度以 上的余量。相位的余量是指相位的下限值至-180度的数值，相位的余量越小，构件的性能 差及温度变化引起振荡的可能性越大。
2.防止发生振荡的方法
通过利用误差放大器反馈线路的相位修正，可以防止输出电压的振荡。相位修正路线有很多种，对于电压控制方式开关电源采用下列相位修正线路最为有效。
在图3中2和4形成1次超前线路，1和3形成1次滞后线路，通过调整这些线路，在LC 滤波的频率特性中相位最下限的频率带进行发生相位超前的相位修正，改善负反馈线路整体的相位滞后。图4就是其调整例。
图2的输出滤波的相位约在10KHz附件达到最低点，在此频率上相位超前约有30度。因此，即使LC滤波的相位滞后接近180度也有约30度的余量，从而可以防止输出电压的振荡。
1. 防止振荡的具体实例
下面，介绍以下具体的设计实例。
图5是使用罗姆公司制造的电源控制IC进行的降压型DC-DC转换器设计实例。
如下求出将输出纹波电压调为20mVp-p所需要的输出电容器等效串联电阻。 等效串联电阻(ESR)
1） 固态电容器
6V/1 0 OMf 1 P C 6.3ØX6L等效串联电阻（ESR） =32 mΩ※等效串联电阻为 实测值
2） 铝电解电容器
6V/180UF 3P C S并联10ØX8L等效串联电阻（ESR） =128 mΩ/个→合计等效 串联电阻（ESR） =43mΩ
照片1 （a） （b）是使用上述电容器的测定线路。以下将验证在加入最佳的相位补偿线路的情况下，与铝电解电容器相比，使用固态电容器能达到的小型化的原因。
4.使用铝电解电容器时的设计实例
使用铝电解电容器时，输出LC滤波的频率特性如图6所示，相位有充足的余地，甚至无需进行相位补偿。因此，相位补偿线路使用图7所示的线路即足够。
使用图7所示的相位补偿线路（实际上不进行相位补偿），其综合频率特性如图8所示，可 以说存在充足的相位余地。
图9列出输出纹波电压波形。
5.使用固态电容器时的设计实例
若在使用铝电解电容器的电源线路上，不改变相位补偿线路而直接换成固态电容器时，输出 电压将发生振荡（图10）。这是因为，换成低等效串联电阻的固态电容器后，输出LC滤波 的频率特性将从使用铝电解电容器时的图6状态变为图11状态，但由于未改变相位补偿新 线路，所以相位余量消失。
如图11所示，当LC濾波基木没有相位余量时，使用图12所示的相位补偿线路，可进行适宜的相位补偿。
这是因为相位变慢的部分在图12中的Zi, Zc形成相位加快，从而消除了相位变慢。因此，绿合频率特性如图13所示, 其相位余地也很充足，输出纹波电压波形图（14）也基木与铝电解电容器相同。
6.开关电源的输出波形对实际图像的影响
