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用陶瓷电容替换钽电解电容指南

技术支持

用陶瓷电容替换钽电解电容指南

分类:
解决方案
作者:
亿宾微电子
来源:
亿宾微电子
发布时间:
2015/02/05

解决指南

将电解电容器更换为MLCC的指南

将电解电容器更换为MLCC的指南 概要

将电解电容器更换为MLCC的指南 概要

 将电解电容器更换为MLCC的指南总结

为何现在要将电解电容器更换为MLCC

MLCC的大容量化使其可用于更换电解电容器

图1:各类电容器的使用频率频带与静电容量范围

图1:各类电容器的使用频率频带与静电容量范围

随着作为电子设备主要角色的LSI与IC的高集成化,向其进行供应的电源向低电压化趋势发展,同时,随着多功能化的发展,消费电力随之增大,且形成大电流化的趋势。为应对低电压及大电流化,电子设备的电源开始采用分散电源系统, 从中间总线转换器将多个小型DC-DC转换器(POL转换器)配置在LSI及IC等负载附近。

POL转换器外接有多个电容器。尤其是平滑用输出电容器中需要很大的静电容量,因此以往一直使用铝电解电容器及钽电解电容器。
但,这些电解电容器难以小型化,因此会阻碍电路向节省空间的方向发展。同时,还存在波纹电流导致自己发热较大等问题。

多用于电子设备中的MLCC虽然拥有优异特性,但其静电容量较小,因此主要用于滤波电路或高频电路中。但近年来,随着MLCC的电介质薄層化及多层化技术的发展,数10~100μF以上的大容量MLCC实现了产品化,从而使其可用于更换电解电容器。

各类电容的使用注意事项

MLCC、铝电解电容器、钽电解电容器的主要特点与注意事项如下所示。在更换为MLCC时,需要了解这些电容器的优点与缺点,同时还需要知晓在使用时的注意点。
大容量MLCC可用于更换电解电容器,但需要注意的是,其存在温度及DC偏压会导致较大静电容量变化率的缺点。同时,ESR过低的特点起到了反效果,这可能会导致在电源电路中发生异常振动。
»问题: 为什么将MLCC作为DC-DC转换器的输出电容器使用时会发生异常振动?
»问题: 用于防止异常振动的相位补偿是什么?

  MLCC
MLCC
钽 电解电容器
电解电容器
铝 电解电容器

电解电容器
主要特点
  • 小型低背
  • 高可靠性、长寿命
  • 低ESR(等效串联电阻)
  • 无极性
  • 大容量
  • DC偏压特性优异
  • 大容量
  • 低价
使用注意事项
  • DC偏压(施加直流电压)及温度引起的静电容量变化较大
  • ESR较低虽然为优点,但相反会造成电源电路中的异常振动等
  • ESR较高则会因波纹电流引起较大的自己发热。
  • 额定电压低
  • 形状大
  • 高温环境下的寿命短
  • ESR较高会因波纹电流引起较大的自己发热。
容量大,但会因自己发热容易导致寿命变短的电解电容器

图2:由波纹电流引起的电容器自己发热比较示例(频率:100kHz)

图2:由波纹电流引起的电容器自己发热比较示例(频率:100kHz)

电容器的ESR会根据频率不同而发生变化。
将某一频率中电容器的ESR表示为R,波纹电流表示为I,则RI2的电力出现热损耗,从而使电容器自己发热。

电解电容器拥有大容量的特点,但由于其ESR过高,因此波纹电流导致发热过大是其缺点。

电容器可接受的波纹电流上限值称为允许波纹电流。若使用时超过允许波纹电流时会缩短电容器的寿命。

注:ESR与波纹电流

图3:ESR(等效串联电阻)

图3:ESR(等效串联电阻)

理想的电容器是只有静电容量的元件,但现实中,其还拥有因电极带来的电阻成分与电感成分。电路图中无法标识的电阻成分称为ESR(等效串联电阻)、电感成分称为ESL(等效串联电感)。

图4:波纹电流

图4:波纹电流

直流电流虽然是以一定电压并沿一个方向流动的电流,但电源电路的直流电流中重叠有噪声电流等各类交流成分。例如,通过对商用交流电进行整流(全波整流)后得到的直流电流中包含有周期为商用交流电2倍的微波(波纹)状脉动电流。同时,开关方式的DC-DC转换器中,直流电压重叠有开关周期的脉动电流。这些均称为波纹电流。

铝电解电容器的寿命为10年

铝电解电容器的静电容量大,价格低,因此广泛使用于电子设备中,但其有使用寿命,因此在使用时需要特别注意。铝电解电容器的寿命一般为10年左右。这是由于电解液干涸(蒸发)导致静电容量降低而引起的(容量流失)。

电解液的消失量与温度有关,其基本符合被称为"阿伦尼乌斯定律"的化学反应速度理论。该定律表示,若使用温度上升10℃则寿命会变为原来的2分之1,若下降10℃则寿命会变为原来的2倍,因此10℃ 2倍定律。因此,在波纹电流导致自己发热较大的条件下进行使用时,寿命将会进一步缩短。

同时,电解液的干涸也会使ESR上升。直流电压与波纹电压重叠时,需要注意波纹电压的峰值不要超过额定电压(耐压)。电源电路等使用额定电压为输入电压3倍左右的电容器。

图5:各类电容器的额定电压范围

图5:各类电容器的额定电压范围

图6:寿命比较

图6:寿命比较

更换为MLCC的事例 降压型DC-DC转换器

更换降压型DC-DC转换器中的输出电容器

ESR与波纹电流导致的电容器发热问题是电源电路输出电容器中的突出问题。
图7是作为POL转换器等电子设备中较为常用的降压型小型DC-DC转换器的基本电路。

作为DC-DC转换器中自己发热问题、节省空间及提高可靠性的解决方案,将电解电容器更换为MLCC的对象主要为该输出电容器。

图7:POL转换器(降压型DC-DC转换器)的基本电路

图7:POL转换器(降压型DC-DC转换器)的基本电路
注:POL转换器(降压型DC-DC转换器)的基本电路。

图7是作为POL转换器等电子设备中较为常用的降压型小型DC-DC转换器的基本电路。转换器的主要电路得到IC化,并通过印刷线路板外接电容器及电感器(也有内置产品)位于IC前段的电容器称为输入电容器(Cin)、位于后段的电容器称为输出电容器(Cout)。DC-DC转换器的输出电容器通过积蓄电荷使输出电压平滑化,同时起到将交流的波纹成分释放至地线层侧,并将其除去的作用。

降压型DC-DC转换器中的输出电容器特性比较

使用如下评估线路板,对降压型DC-DC转换器输出电容器的输出电压进行了比较。用于比较的电容器为静電容量22μF的普通铝电解电容器、钽电解电容器、功能性高分子铝电解电容器以及MLCC。

图8:各类电解电容器与MLCC的输出电压比较验证 (22μF品)

图8:各类电解电容器与MLCC的输出电压比较验证 (22μF品)
由于MLCC的ESR较低,因此波纹电压较小,自己发热较少。

根据前述条件,对静電容量为22μF的普通铝电解电容器、钽电解电容器、功能性高分子铝电解电容器以及MLCC分别比较了输出电流与输出电压。
ESR以及引起自己发热的波纹电压从大到小的顺序为:普通铝电解电容器>钽电解电容器>功能性高分子铝电解电容器>MLCC。 
功能性高分子铝电解电容器是将导电性聚合物作为电解质实现低ESR的产品,与普通铝电解电容器相比,波纹电压显著变小,但其形状较大,价格也较高。

图9:各类电解电容器与MLCC(B特性)的输出行为试验结果(22μF产品)

图9:各类电解电容器与MLCC(B特性)的输出行为试验结果(22μF产品)

各电容器的阻抗-频率特性、ESR-频率特性如下所示。

图10:各类电容器的阻抗-频率特性、ESR频率特性

图10:各类电容器的阻抗-频率特性、ESR频率特性

ESR越小的电容器,能够将波纹电压抑制到更小。如下述图表所示,MLCC的特点在于ESR极小,仅为数mmΩ左右。因此,使用MLCC更换电解电容器将能够发挥极佳的表现。

图11:ESR与波纹电压的关系(开关频率340kHz)

图11:ESR与波纹电压的关系(开关频率340kHz)
将DC-DC转换器中的电解电容器更换为MLCC的优点

将DC-DC转换器的输出电容器从电解电容器更换为MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)不仅能够抑制波纹,同时还可通过小型低背形状为电路线路板带来节省空间、长寿命化以及提高可靠性等多种优点。

抑制波纹、高可靠性、长寿命化

ESR较高的电解电容器会因波纹电流导致自己发热,从而缩短寿命。
MLCC的ESR比电解电容器降低量达到两位数,在实现长寿命的同时提高了可靠性。

图12:抑制波纹

图12:抑制波纹

小型化

通过更换为小型低背形状可使电路线路板更加节省空间。

图13:将铝电解电容器更换为MLCC的图示

图13:将铝电解电容器更换为MLCC的图示
问题:通过增加电解电容器的容量是否可以抑制波纹电流?

电解电容器的静电容量增大能一定程度降低ESR。但一般情况下很难通过增加容量实现抑制波纹。这是因为随着容量增加,时间常数也会相应增加的原因。
电容器的充放电过程等过渡现象的响应速度是以时间常数(τ)的指标进行表示的。在由电阻(R)与电容器(C)构成额RC 电路中,时间常数τ=RC(R的单位为欧姆[Ω],C为静电容量,单位为法拉[F])。时间常数越小,电容器充放电所需时间则越短,而时间常数越大则时间越长。
若使用过大容量的电解电容器,时间常数也会变得极大,因此在短时间内反复开关的DC-DC转换器中,开关OFF的时间内无法完成放电,从而电解电容器中会残留电荷。结果无法充分降低电压,电压波形发生扭曲,从而使输出不稳定,最终无法得到良好的抑制波纹的效果(图14)。

图14:大容量铝电解电容器中波形发生扭曲

图14:大容量铝电解电容器中波形发生扭曲

而在MLCC中,在较广的频率频带中ESR较低,因此不会产生以上问题,将电解电容器更换为MLCC后,可实现良好的波纹抑制效果。

图15:电解电容器与MLCC的阻抗与ESR

图15:电解电容器与MLCC的阻抗与ESR

问题:为什么将MLCC作为DC-DC转换器的输出电容器使用时会发生异常振动?

MLCC特点在于低ESR,但与铝电解电容器相比ESR过低,因此反而引起了DC-DC转换器输出电压不稳定,从而产生振动。
如右图所示,将DC-DC转换器的输出电压与标准电压相比,其误差部分通过误差放大器(Error Amplifier)发达后进行负反馈,从而得到一定的稳定直流电压。但平滑电路的电感器(L)与电容器(C)会引起信号的相位延迟。相位延迟接近180°时会变为正反馈状态,引起不稳定,从而产生振动。

图16:DC-DC转换器的负反馈电路

图16:DC-DC转换器的负反馈电路

问题:用于防止异常振动的相位补偿是什么?

负反馈是否稳定工作可通过称为波德图的图表进行判定。该图表的横轴表示频率,纵轴表示增益(Gain)与相位。
因电感器(L)与电容器(C)产生的相位延迟越接近180°,则会变为正反馈,从而输出变得不稳定,但相位延迟在180°时通过将增益控制在1及以下(0dB及以下)时,可收敛信号,从而防止振动发生。
因此,为减少相位延迟,通过在误差放大器周围连接电容器或电阻来去除相位延迟进行调整。这种方法称为相位补偿。在输出电容器中,以往使用ESR较高的铝电解电容器的设计中不会产生问题,但ESR较低的MLCC会发生补偿不足,从而会引起异常振动,因此在更换时需要注意。

图17:波德图(增益、相位-频率特性)

图17:波德图(增益、相位-频率特性)

TDK提供可将ESR设计为任意数值的ESR控制电容器。可有效作为相位补偿进行使用。详细内容于后述"更换为MLCC的事例 去耦电容器(旁路电容)"内的问题中进行说明。
»问题:将MLCC用作去耦电容器时可能产生的反共振是怎样的现象?
»问题:有哪些对策可防止反共振的发生?
»问题:ESR控制MLCC可以用于DC-DC转换器等的相位补偿中吗?

图18:相位补偿电路

图18:相位补偿电路

更换为MLCC的事例 去耦电容器(旁路电容)

去耦电容器(旁路电容)的更换

以往在模拟电路中,电解电容器与MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器))会用于去耦而进行并联,但大容量MLCC实现产品化后,将电解电容器更换为MLCC的情况越来越多。

尤其由于铝电解电容器的ESR较大,因此降低阻抗需要较大的容量。但MLCC拥有低ESR的特点,因此无需像铝电解电容器一样大的容量。同时,MLCC由于其小型低背的形状,在更换后可使电路线路板节省空间,同时还拥有长寿命,可靠性优异等优点。

图19:POL转换器(降压型DC-DC转换器)的基本电路

图19:POL转换器(降压型DC-DC转换器)的基本电路
注:去耦电容器

IC的电源线中并联连接有电容器。这是因为电源线中存在电路图中无法标识的阻抗,它会使电源电压发生变动,使电路错误工作或在电路间引起干扰。

因此将电容器进行并联,在通过其充放电抑制电压变动的同时,利用使交流通过的电容器的性质将噪音旁通至地线层侧。这就称为去耦电容器(又被称为旁路电容)。

图20:去耦电容器的作用

图20:去耦电容器的作用

去耦用途中,在低频率到高频率的大范围频率频带,呈现低阻抗的电容器较为理想,但在现实中,电容器阻抗-频率特性呈V型曲线。

位于V字谷底位置的频率称为自我共振频率(SRF),起到电容器作用的是自我共振频率以下的部分。因此,在去耦用途中,一般通过并联特性不同的电容器来覆盖大范围频率频带。

图21:去耦电容器的作用

图21:去耦电容器的作用
将DC-DC转换器中的电解电容器更换为MLCC的优点

问题:将MLCC用作去耦电容器时可能产生的反共振是怎样的现象?

MLCC拥有低ESR的特点,但在去耦用途中,这个特点也会成为弊端。例如,将多个MLCC进行并联,对通过大电流、低电压驱动的IC进行去耦。电容器作为电容器发挥作用的是SRF(自我共振频率)以下的频率频带,SRF以上则起到了电感器的作用。

因此,若2个MLCC的SRF(自我共振频率)接近,则会形成电感器与电容器的LC并联谐振电路,从而容易发生振动。这就是反共振现象。
反共振会产生强烈的阻抗极值,在该频率中噪音除去效果将会减弱,电源电压不稳,同时会产生电路错误工作。

图22:去耦用MLCC的并联与反共振问题

图22:去耦用MLCC的并联与反共振问题

问题:有哪些对策可防止反共振的发生? 

TDK自行开发的全新ESR控制MLCC具有很好的效果。该电容器拥有与三端子贯穿型电容器相似的结构,其特点在于,通过与多个内部电极模式之间的组合改变积层体内的导体电阻值,实现将ESR设计为任意值。从而可实现在无需改变芯片尺寸、静电容量与耐电压等的情况下对ESR值进行更改的产品。

图23:以往产品与ESR控制MLCC的特性比较

图23:以往产品与ESR控制MLCC的特性比较

图24:通过ESR控制MLCC抑制反共振

图24:通过ESR控制MLCC抑制反共振

问题:ESR控制MLCC可以用于DC-DC转换器等的相位补偿中吗?

可以使用且非常有效。使用复杂的电路网络进行位相补偿会产生元件数量增加的问题,但通过将其设计为最佳的ESR值后,可在控制元件数量的同时,实现稳定工作。同时,由于其生产使用与现有产品相同的材料与工艺,因此其还拥有印刷线路板的配线设计与布局等无特殊限制的优点。

将电解电容器更换为MLCC的指南

将电解电容器更换为MLCC时如何选择适合客户用途的最佳MLCC,以下对此进行说明。希望对提高客户产品可靠性有所帮助。

通过特性进行选择时的注意点

高介电常数系列请注意施加电压造成的容量变化

即使是优异的电容器MLCC也有弱点。MLCC会因施加的电压不同而导致静电容量发生变化。施加的是直流电压时称为DC偏压特性(直流电压特性)。静电容量的变化(DC偏压相依)在低介电常数系列(种类1)中几乎不会出现,而会在高介电常数系列(种类2) 的陶瓷电容器中出现。

其原因在于,高介电常数系列使用的是自发极化的强电介质(BaTiO3等)。因此,施加直流电压进行使用时,请在选择时考虑电介质的特性、使用电压及耐压等因素。同时,电容器尺寸越小,静电容量的减少量则会越大。在选择容量是,也需要考虑DC偏压特性。

图25:静电容量变化率-DC偏压特性示例(高介电常数系列)

图25:静电容量变化率-DC偏压特性示例(高介电常数系列)

图26:DC偏压特性造成的影响(施加3.3V时的有效静电容量比较)

图26:DC偏压特性造成的影响(施加3.3V时的有效静电容量比较)
用于更换电解电容器的最佳MLCC产品线

点击当前正在使用的电容器信息进行输入后,将显示MLCC产品的推荐产品。
※以上并非对产品适配性的保证,敬请知悉。
※请客户自行对产品适配性进行充分测试后进行判断。

选择用于更换电解电容器的最佳MLCC的方法 (PDF)

TDK拥有丰富种类的可用于更换铝电解电容器及钽电解电容器的MLCC。同时,为抑制异常振动与反共振,还提供有可对ESR值进行控制的ESR控制MLCC。客户可根据用途选择MLCC,从而提高客户产品可靠性。

将电解电容器更换为MLCC的指南 总结

  • 近年来,数10~100μF以上的大容量MLCC实现产品化,从而可用其更换钽电解电容器与铝电解电容器。
  • MLCC拥有高额定电压、优异的波纹抑制能力、长寿命及高可靠性等特点,从民用设备到产业机器,在广泛领域中不断被用于更换。

※高介电常数系列的MLCC存在通过温度变化与施加直流电压会使静电容量下降的弱点(温度特性、DC偏压特性)。同时,由于其拥有极低的ESR,因此反而会造成异常振动以及反共振的问题,因此在更换时需要注意。为抑制异常振动与反共振,TDK还提供有可对ESR值进行控制的ESR控制MLCC。

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