聚合物电容器在DC/DC转换器中的应用
黄玉明，陈由雄
（福建国光新型电子元件与材料技术研究院，福建 福州 350015）
摘要：DC/DC转换器要有低电压、大电流和低纹波电压输出，才能满足目前电子产品低电压、大电流和高性能的要求。本文分别采用普通钽电解电容器，低等效串联电阻钽电解电容器和聚合物固体片式铝电解电容器（PA-Cap）作为DC/DC转换器的输出电容器，系统的比较了电容器的容量（C），等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）等参数对输出纹波电压的影响。研究表明对输出纹波电压影响最大的参数为电容器的ESR。PA-Cap具有极低等效串联电阻及允许大纹波电流的特点，在DC/DC转换器中使用PA-Cap作为输出电容是一个较好的选择。
关键词：DC/DC转换器；固体电解电容器；纹波电压；等效串联电阻；开关电源
Application of Polymer Capacitors for DC/DC converters
Huang Yuming, Chen Youxiong
(Fujian Guoguang Academy of New Electronics Components & Material Technique, Fuzhou 350015, China)
Abstract: In order to meet the performance requirements of electronic products, the output of DC/DC converters should have low voltage, high current and low ripple voltage. In the studies, tantalum electrolytic capacitors, low equivalent series resistance tantalum electrolytic capacitors and polymer aluminum electrolytic capacitor (PA-Cap) were used as the out capacitors of the DC/DC converters, respectively. The effects of capacitance, equivalent series resistance and equivalent series inductance on the performance of the converters were systematically studied. The results show that the ESR was the most important parameter of capacitor effecting outputting ripple voltage. PA-Cap is characterized with very low ESR, which makes it a good choice to apply PA-Cap in DC/DC converters.
Key Words: DC/DC converters; Solid electrolyte capacitors; Ripple voltage; equivalent series resistance; Switch power supply
由于电子产品的工作电压不断降低，这就要求DC/DC转换器具有低电压、大电流输出。目前在DC/DC转换器中，通常使用钽电解电容器作为滤波电容。采用新型的固体片式铝电解电容器PA-Cap与钽电解电容器相比，在滤除纹波方面，可以获得优于钽电解电容器的电气指标。
PA-Cap是“聚合物固体片式铝电解电容器”的英文缩写[1]。PA-Cap采用高纯铝箔作为阳极，在铝箔表面生成的三氧化二铝（Al2O3）作为电介质，采用固态的高导电聚合物作为阴极，使用叠层结构。PA-Cap具有尺寸小(7.3mm×4.3mm)、极低等效串联电阻及允许大纹波电流的特点。PA-Cap出现失效时不会爆炸、燃烧，比一般的钽电解电容器安全。
纹波电压是输出电压随开关频率的变化量，是电流中交流成分产生的。如果将电容器的特性参数等效为电容量C、等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL的串联[2]，如图1。
图1 电容器特性参数等效图
Fig.1 The module of capacitors
则滤波电路中纹波电压可表示为：
Vr=VC+VESR+VESL
其中VC是由容抗XC产生的纹波电压，VESR是由等效串联电阻ESR产生的纹波电压，VESL是由等效串联电感ESL产生的纹波电压。
本文通过实验，确定PA-Cap在DC/DC转换器中的应用时，PA-Cap影响DC/DC转换器输出纹波的主要参数是等效串联电阻ESR。在DC/DC转换器中，可以优先选用PA-Cap作输出电容。
1 实验
根据DC/DC转换器生产商提供的评估板资料和典型应用电路，设计出PA-Cap作为滤波电容在CS51411DEMO/D开关电源评估板线路中的应用[3, 4]，实验的线路原理图如图2。
图2 CS51411DEMO/D实验线路原理图
Fig.2 The scheme of CS51411DEMO/D
开关频率fsw为260kHz，输入为5V、0.31A，输出为3.3V、0.60A，Cin为PA-Cap 6.3V22μF。在Cout位置接上不同的电容器，用示波器测量接上不同电容器时，电路的输出纹波电压。Cout位置接上的电容器有普通钽电解电容器10V/470μF、普通钽电解电容器10V/220μF、低ESR钽电解电容器16V/470μF和PA-Cap 4V/56μF。实验仪器：Agilent 4284A LCR测试仪，TDS1002示波器，实验环境：26℃、58%RH。
2 结果与讨论
在Cout位置接不同电容器时，电容器参数与输出纹波电压如表1。
表1 电容器参数及CS51411DEMO/D中输出纹波
Tab.1 Capacitors characteristics and output ripple voltage of CS51411DEMO/D
类型 规格 容量(μF)
100Hz 损耗(%)
100Hz ESR(mΩ)
(100kHz) ESR(mΩ)
(260kHz*) 输出纹波电压
△V1(mV)
普通钽 10V/470μF 451.8 9.4 152 136 28.2
10V/220μF 214.3 3.8 112 95 21.5
低ESR钽 16V/220μF 226.1 3.1 56 47 9.53
PA-Cap 4V/56μF 54.4 2.0 40 35 6.97
* 测量仪器在260kHz无测量点，使用250kHz测量值
Cout接不同电容器时，输出纹波波形如图3所示。
(A) Cout为普通钽10V/470μF输出波形 (B) Cout为普通钽10V/220μF输出波形
(C) Cout为低ESR钽16V/220μF输出波形 (D) Cout为PA-Cap 4V/56μF输出波形
图3 Cout接不同电容器输出纹波波形图
Fig.3 The output ripple voltage
对于钽电解电容器和PA-Cap，都具有较大的容量，其容抗XC均较小；另由于钽电解电容器和PA-Cap为片式结构，其等效串联电感ESL均较小；所以对于钽电解电容器和PA-Cap，最主要影响DC/DC转换器输出的纹波电压是ESR上产生的纹波电压，Vr=VC+VESR+VESL≈VESR=ESR*△I。
把测量的纹波电压与计算的纹波电压(Vr≈VESR=ESR*△I)进行对比(输出纹波电流△I为0.2A)，对比结果如表2所示，对比图如图4所示。
表2 ESR值与纹波电压对比
Tab.2 The ESR value and the ripple voltage
参数 应用实例1
类型 规格 ESR(mΩ)
(100kHz) ESR(mΩ)
(260kHz*) 测量纹波电压
△V(mV) 计算纹波电压
Vr(mV)
普通钽 10V/470μF 152 136 28.2 27.2
10V/220μF 112 95 21.5 19.0
低ESR钽 16V/220μF 56 47 9.53 9.40
PA-Cap 4V/56μF 40 35 6.97 7.00
* 测量仪器在260kHz无测量点，使用250kHz测量值
图4 测量纹波电压△V与计算纹波电压Vr对比图
Fig.4 The testing value (△V) and calculating value (Vr) of output ripple valtage
从表2和图4中可看出，按Vr≈VESR=ESR*△I计算的纹波电压Vr与测量的纹波电压△V接近。说明对于钽电解电容器和PA-Cap，主要影响DC/DC转换器输出纹波电压是电容器的ESR值。
3 结论
DC/DC转换器的输出电容使用钽电容或PA-Cap，影响输出的纹波电压是等效串联电阻ESR上产生的纹波电压。PA-Cap具有极低等效串联电阻及允许大纹波电流的特点，DC/DC转换器中使用PA-Cap作为输出电容是一个较好选择。
参考文献：
[1] PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器2006年产品手册
[2] 陈国光, 曹婉真. 电解电容器(修订本). 西安交通大学出版社, 1993年.
[3] http://www.onsemi.com CS51411DEMO/D
[4] http://www.onsemi.com CS51411, CS51412, CS51413, CS51414
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