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拒绝被疯涨的MLCC“绑架”,这个解决方案你需要了解一下

发布时间:2020-05-02 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】最近两年最火的电子元器件不是AI芯片,也不是存储器,多层陶瓷电容(MLCC)供不应求连续涨价成为最火的产业“宠儿”。细究原因,背后有手机的电子复杂性提高,一些智能手机的MLCC用量翻了一番;相比使用典型的现代内燃机的汽车,电动汽车的MLCC用量增加至少4倍……
 
MLCC从2016年底开始缺货,这使得生产大电容值产品(几十µF或更高)变得尤其困难,而最新电子器件采用的高能电源需要这种电容才能运行。如何降低MLCC的依赖?电源作为最大的用户之一,从电源的电容要求着手是解决电容短缺问题的关键。
 
拒绝被疯涨的MLCC“绑架”,这个解决方案你需要了解一下
预计2019 年全球MLCC 出货量约4.5 兆颗(资料来源: Paumanok)
 
电源电路常用电容的作用及类型选择分析
 
电源链设计有多种方式。可以使用降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器以及其他几种拓扑结构。这些结构的共同点是需要表现出色的外部有源和无源元件才能使系统以最佳状态工作。有源和无源元件的选择对电源总体性能影响巨大。效率、产生的热量、物理尺寸、输出功率和成本都会在某种程度上依赖于所选的外部元件。在一个典型电源设计中,电阻、电容、电感、二极管和MOSFET的选择都决定了电源最终的性能表现,而电容是其中的关键的性能“决定者”。
 
某些电源 IC 解决方案可能只需要三个外部元件, 如 ADP2108 降压调节器。因为它内置电源开关,所以这种开关稳压器至少需要两个电容:一个输入电容、一个输出电容。外部元件的上限几乎是无限的,具体取决于拓扑结构和电源要求。面对设计中的成本、性能和系统可靠性问题,设计人员必须知道哪些参数最为重要,以便选择合适的电容。
 
典型的直流-直流降压变换器使用下列电容:
 
● 输出电容:在负载瞬态响应期间,平缓输出电压波纹和电源负载电流。一般使用几十μF到100 μF的大电容。
● 输入电容:了稳定输入电压之外,它还被用于输入电流的即时供应。一般在几μF到几十μF之间。
● 旁路电容:吸收开关操作产生的噪声和来自其他电路的噪声。一般在0.01 μF到0.1 μF之间。
● 补偿电容:保证反馈回路中的相位裕量并防止振荡。通常为几百pF或几十nF。有些开关稳压器IC中采用了补偿电容。
 
拒绝被疯涨的MLCC“绑架”,这个解决方案你需要了解一下
以同步降压型 DC/DC 转换器LTC3411为例看典型降压稳压器使用的电容
 
电容有多种类型可供选择。铝电解电容、钽电容和多层陶瓷电容是三种最常见的类型。像大多数设计决策一样,选择合适的类型涉及一系列权衡因素。铝电解电容的容值大、成本低,在所有选择中,其成本/F 比最佳。铝电解电容的主要缺点是ESR较高,可达数欧姆。务必使用开关型电容,因为其ESR和ESL比通用型要低。铝电解电容还依赖于电解质,由于电解质会逐渐变干,因此电容寿命较短。
 
钽电容使用钽粉末作为电介质。与同等铝电容相比,钽电容能以更小的封装提供更大的容值,不过成本较高。ESR 通常在100 m? 范围内,比铝电容低。钽电容不使用液态电解质,因而寿命比铝电解型要长。由于这个原因,钽电容在高可靠性应用中很受欢迎。钽电容对浪涌电流敏感,有时需要串联电阻来限制浪涌电流。务必不要超过制造商建议的浪涌电流额定值和电压额定值。钽电容失效时,可能会烧毁并冒烟。
 
多层陶瓷电容(MLCC)提供极低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH),采用小型表贴封装。MLCC的最大容值可达100 F,但随着容值大于10 F物理尺寸和成本会增加。请注意MLCC的电压额定值及其结构中使用的电介质,实际容值会随着施加的电压而变化,这称为电压系数。依据所选的电介质不同这种变化可能非常大。
 
压缩电容“大户”——输出电容和旁路电容需求
 
如前文所述,电源中常用的四个电容是:输出电容、输入电容、旁路电容和补偿电容。减少电容使用,从输出电容和旁路电容入手降低电容用量或许是可行的思路。
 
输出电容是负责在负载瞬态响应期间平缓输出电压波纹和电源负载电流,一般使用几十μF到100 μF的大电容。工程师都明白增加开关频率的好处,对于降低电容使用来说也是似乎也是如此。但值得注意的是,开关频率与交越频率的关系——根据采样定理,为了保证系统稳定交越频率必须小于开关频率的1/2,可以将交越频率设置为开关频率的1/5(或更低)。因此提高开关频率(对应提高交越频率)会导致两个问题:需要保证反馈回路具备足够的相位裕量,以防止振荡;如果它们的幅度相当,负反馈会响应输出电压波纹,从而影响到稳定运行。
 
要增加交越频率需要同时增加开关频率,但这会导致顶部和底部FET的开关损耗增加,会降低转换效率和产生更多热量。在电容上实现的节省会因为增加散热元件带来的复杂性抵消(比如鳍状散热器、风扇或额外的板空间)。
 
这需要具有特别的Knowhow的方案解决这个两难——能够在高频率下保持高效率。其中,ADI稳压器IC就可以达到这种效果,这些稳压器IC采用独特的FET控制功能,在更高开关频率下也能保持高效率。对于典型的稳压器,开关频率增高时效率会下降,ADI的稳压器可以在非常高的操作频率下保持高效率,因而支持使用值更小的输出电容。例如,LT8640S 6 A输出降压稳压器在操作频率为2 MHz时(12V 输入和5V输出),在整个负载范围内(0.5 A至6 A)能保持高于90%的效率。这个稳压器也可以通过减少电流波纹 (ΔIL)来降低电容要求,从而降低输出波纹电压 (ΔVOUT)。
 
拒绝被疯涨的MLCC“绑架”,这个解决方案你需要了解一下
通过增加开关频率来减小电容和电感的尺寸。
 
旁路电容主要被用于吸收开关操作产生的噪声。如果能从其他方面降低开关噪声,就可以减少旁路电容的数量。有一个特别简单的方法可以实现这种效果,即使用Silent Switcher® 稳压器。
 
LT8640S是Silent Switcher技术的第二代,与第一代相比IC内部集成高频输入电容,这可以确保最大限度地抑制噪声,因此也无需如以前一样非常小心地在布局中确定输入电容的位置,无疑这也会降低对MLCC的要求。另一项功能——展频,会通过动态改变开关频率来降低噪声峰值。LT8640S兼具这些功能,因此能够轻松满足CISPR 25 5级EMC汽车标准。
 
拒绝被疯涨的MLCC“绑架”,这个解决方案你需要了解一下
Silent Switcher 2技术在IC中集成输入电容,由此简化布局和提升噪声抑制性能。
 
本文总结
 
除了上面总结的经验之谈,还有这些要点值得注意:由于电介质的压电效应,MLCC电容对PCB振动敏感,所产生的电压噪声可能会扰乱PLL等敏感模拟电路,在此类敏感应用中,不受振动影响的钽电容可能是更好的选择;很多时候多个电容并联以获得较大的电容也许是明智的,利用这种办法可以获得所需的大电容值和低 ESR,从而满足设计要求。此外,值得提醒的是,电源设计很多时候是系统性的工程,你需要考虑的不仅仅是MLCC,还有更多其他关键器件和参数指标需要兼顾,这个时候一款给力的设计工具或许才是好帮手,比如使用ADIsimPower 等在线设计工具会将这些权衡因素考虑进去,帮助您优化设计。
 
LT8640S
 
● Silent Switcher® 2 架构:
   ○ 在任何 PCB 均可实现超低 EMI / EMC 辐射
   ○ 消除了 PCB 布局敏感性
   ○ 内部旁路电容器降低了辐射 EMI
   ○ 任选的扩展频谱调制
● 在高频下实现高效率
   ○ 在 1MHz、12VIN 至 5VOUT 转换时达 96%
   ○ 在 2MHz、12VIN 至 5VOUT 转换时达 95%
● 宽输入电压范围:3.4V 至 42V
● 6A 最大连续电流,7A 峰值输出
● 超低静态电流突发模式 (Burst Mode®) 操作:
   ○ 2.5μA IQ,调节 12VIN 至 3.3VOUT (LT8640S)
   ○ 输出纹波 < 10mVP-P
● 外部补偿:快速瞬态响应和均流 (LT8643S)
● 快速最小接通时间:30ns
● 在所有条件下均可提供低压差:100mV (在 1A)
● 强制连续模式
● 可调及可同步频率范围:200kHz 至 3MHz
● 输出软起动和跟踪
● 小外形 24 引脚 4mm x 4mm LQFN 封装
 
 
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