POSCAP在DC/DC轉換器中的應用
本文首先簡單地介紹三洋公司的POSCAP(一種以高分子聚合物為固態電解質的鉭或鋁電解電容器)。其主要特點是尺寸小而電容量大、ESR低及允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉換器中作輸出電容器。
DC/DC轉換器生產廠家給出參數齊全的典型應用電路圖，如果使用條件(如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流或開關頻率)有所改變，則典型應用電路中的有關元器件的參數要做相應的改變，這種情況是經常會碰到的。
本文介紹在使用條件改變后，可通過簡單計算，確定使用條件改變后的電感器和輸出電容器的值，并介紹如何選擇合適的POSCAP。
POSCAP的結構
“POSCAP”是“聚合物有機半導體固態電解電容器”的英文縮寫。大部分POSCAP的陽極是燒結鉭，僅少部分的陽極為鋁箔，其介質分別為氧化鉭(Ta2O5)及氧化鋁(Al2O3)，而電解質(陰極)都是固態的、導電性能良好的高分子聚合物。由于采用了導電性能好的固態高分子聚合物作電解質，使它們具有尺寸小而電容量大、極低的ESR(等效串聯電阻)及很大的允許紋波電流的特點。POSCAP是小尺寸貼片式封裝的，其內部結構如圖1及圖2所示。
圖1 TPB、TPC、TPE、TQC、TATH系列POSCAP電容的結構
圖2 AP系列POSCAP電容的結構
POSCAP的特點及特性
POSCAP的主要特點：有適合不同要求的系列(如表4所示)；最小的封裝尺寸為0805；ESR低及允許紋波電流大，如型號為2R5TPD680M5的POSCAP，其額定電壓為2.5V、電容量為680μF，最大的ESR僅為5mΩ，允許最大的紋波電流為6100mA；額定電壓范圍2.5～25V；電容量范圍5.6～1000μF；允差為±20%(M極）；損耗因數在8%～15%范圍內；漏電流≤0.1CV；有極好的吸收噪聲的特性；有極好的頻率特性(在10kHz～10MHz范圍內）；有較好的溫度特性；能承受20A瞬態沖擊電流；壽命長，在105℃時可達2000小時；工作溫度范圍-55～+105℃(有一些品種的最高溫度為+85℃，TH系列可工作在125℃的環境溫度，見表4）；出現故障時不會爆炸、燃燒，比一般的鉭電解電容器安全；無鉛封裝。
典型的POSCAP的ESR與阻抗的頻率特性如圖3所示，藍色的是2R5TPD 470M5(2.5V/470μF)、紫色的是2R5TPD680M5(2.5V/680μF）；實線是阻抗的頻率特性，虛線是ESR的頻率特性。從圖3中可看出：在10～1000kHz范圍內，ESR特性十分平坦(即ESR變化不大)，并且其ESR值小于5mΩ。
圖3 POSCAP電容的阻抗與頻率特性曲線
典型的POSCAP的ESR溫度特性及電容量與溫度的特性如表1所示。
表1
允許的紋波電流值與頻率及溫度有關，工作在不同頻率范圍及溫度范圍時，要乘以頻率補償系數及溫度補償系數，如表2及表3所示。
表2 頻率補償系數
表3 溫度補償系數(T為環境溫度)
POSCAP各系列主要參數如表4所示。
表4(注：*有部分品種環境溫度到+85℃；**最高環境溫度達+125℃；***全部品種環境溫度到+85℃。)
POSCAPD在DC/DC轉換器中的應用
近年來，電子產品的工作電壓不斷降低，從5V降到3V，甚至降到1.0V以下，相反的是輸出電流在增加，為此開發出很多高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉換器，以滿足市場的需求。
這些DC/DC轉換器電路的工作溫度范圍為-40～+85℃，開關頻率主要在300kHz～1.5MHz范圍內，輸入電壓幾V到幾十V；輸出電壓一般從0.6～3.3V，輸出電流從幾A到幾十A，甚至上百A。
典型的同步整流降壓式DC/DC轉換器的輸入及輸出部分電路簡圖如圖4所示。它是由DC/DC控制器、開關管Q1、同步整流管Q2、驅動高端功率MOSFET(Q1)的自舉式升壓電路(由CBOOST及D1組成)、電流檢測電阻RCS、決定輸出電壓的R1、R2，電感器L1、輸入電容器CIN及輸出電容器COUT組成。
圖4 同步整流降壓式DC/DC轉換器的輸入及輸出部分電路簡圖
生產DC/DC轉換器的公司在數據資料中給出參數齊全的典型應用電路，用戶可按電路圖組成完整的電源。不少DC/DC轉換器生產商為了幫助用戶開發新產品，還專門提供評估板，可加速開發的周期。如果用戶的使用條件(如開關頻率、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)與典型應用電路有差別，則電路中的有關元器件的參數也要做相應的改變，這是經常會碰到的。
本文介紹在使用條件改變時，如何確定電感器L1值及輸出電容COUT值的簡單計算方法，并舉一些實例說明其應用。
簡單的計算公式
使用條件改變后，原典型應用電路中的電感器L1及輸出電容器COUT的值可能要改變，可根據新的使用條件進行計算。計算前要已知的條件是，輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT、最大輸出電流IOUT(max)及開關頻率fsw。計算公式及步驟如下：
1、初步估算電路上的紋波電流 △I'OUT
在初步估算△I'OUT時，可取IOUT(max)的20%～40%，即
(1) △I'OUT=(0.2-0.4)IOUT(max)
在fsw高、IOUT(max)大時取小值，反之取大值。
2、電感器L1的計算
電感器L1可按下式計算：
(2) L1=(VIN-VOUT)×VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
計算后的L1值應按相近的標準系列值選取，如計算出來的L1=2.06μH，可取標準值2.2μH，取實際電感值LACT=2.2μH。所選的電感器L1的飽和電流應大于電感器的峰值電流ILP-P。
ILP-P可按ILP-P=1.2×IOUT(max)估算。
3、紋波電流△IOUT的復算
可根據LACT來復算紋波電流△IOUT
(3) △IOUT=(VIN-VOUT)×VOUT/(fsw×LACT×VIN )
4、選擇合適的POSCAP電容器
根據已知的VOUT及計算出的△IOUT，按POSCAP樣本選擇合適的輸出電容器COUT。要滿足兩個條件：VOUT=(0.8～ 0.9)VRATED(VRATED為電容器的額定電壓）；△IOUT(ALLOW)>△IOUT(△IOUT(ALLOW)是電容器的最大允許紋波電流)。
若所選的單個電容器的△IOUT(ALLOW)不能滿足大于△IOUT的要求，則可用幾個同型號的電容器并聯，使滿足下式：
(4) △IOUT(ALLOW)×N>△IOUT
式中N為并聯的電容器數。
5、最大的輸出紋波電壓△IOUT計算
在選定電容器后，可知道該型號電容器的最大ESR值，則最大輸出紋波電壓△VOUT為：
(5) △VOUT=△IOUT×ESR/N
如果按式(5)計算出來△VOUT不能滿足使用上的要求，則需要再選擇ESR更低的(如低ESR系列)或增加N值來解決。
要保證電路的穩定，其輸出電容的電容量是不大的，采用電容量大、ESR小的電容器的目的是減小輸出紋波電壓及改善負載瞬態響應。這里采用POSCAP電容器是充分發揮它的特長，若采用其他電解電容器則往往需要更大的電容量或更多的并聯數。近年來，不少DC/DC控制器生產廠家在其典型應用電路及評估板上都采用了POSCAP。
計算實例
1、LM2745(國家半導體公司)
由LM2745高速同步整流降壓式控制器組成的降壓式DC/DC轉換器電路如圖5所示。該電路輸入電壓VIN=3.3V、VCC=3.3V(VCC是給LM2745內部電路供電的)、輸出電壓VOUT=1.2V、最大輸出電流IOUT(max)=16A、開關頻率fsw=1000kHz?，F計算其電感器L1及CO1(圖5中CO1、2是CO1與CO2并聯，CO2是0.1μF、16V的多層陶瓷電容器)。
圖5 由LM2745組成的降壓式DC/DC轉換器
(1)△I'OUT的估算
因開關頻率較高，輸出電流IOUT(max)較大，采用20%的系數，則有：
△I'OUT=20%IOUT(max)=0.2×1.6A=3.2A
(2)電感器L1的計算
L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(3.3V-1.2V)×1.2V/(3.2A×1000kHz×3.3V)
=0.24μH
L1取0.22μH標準值，即LACT= 0.22μH
(3)紋波電流的復算
△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(3.3V-1.2V)×1.2V/(1000kHz×0.22μH×3.3V)
=3.4A
(4)選合適的POSCAP電容器
按POSCAP樣本選額定電壓6.3V的6TPD470M，其電容量為470μF，ESR為10mΩ(max)，△IOUT(ALLOW)為4400mA，滿足選擇電容量的兩個條件。
(5)輸出紋波電壓的計算
△VOUT=△IOUT×ESR
=3.4A×10mΩ=34mV
由LM2745組成的DC/DC轉換器評估板如圖6所示。圖中圓圈中的電容器即6TPD470M。
如果在圖5的電路上改變使用條件：VIN=5V、VOUT=2.5V、VCC=5V、IOUT(max)=2A、fsw=300kHz，則電感L1及輸出電容CO1作如何改動，計算如下。
圖6 由LM2745組成的DC/DC轉換器評估板
(1)△I'OUT的估算
△I'OUT=0.4 IOUT(max)=0.4×2A=0.8A
(2)L1的計算
L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(0.8A×300kHz×5V)
=5.2μH
L1取標準電感值6.8μH，即LACT=6.8μH
(3)△IOUT的計算
△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(300kHz×6.8μH×5V)
=0.61A
(4)選POSCAP電容器
選型號為10TPC68M，其額定電壓為10V、電容量為68μF，ESR為45mΩ，△IOUT(ALLOW)為1.7A。符合選擇電容器的兩個條件。
(5)△VOUT的計算
△VOUT=△IOUT×ESR
=0.61A×45 mΩ=27.4mV
計算的結果是，L1=6.8μH，CO1取10TPC68M，輸出紋波電壓△VOUT =27.4mV。
2、UCC2891(德州儀器公司)
UCC2891是一種正激式降壓型DC/DC控制器，其組成的電路如圖7所示。
UCC2891是一種正激式降壓型DC/DC控制器，其組成的電路如圖7所示。
圖7 由UCC2891組成的典型應用電路
使用條件：VIN=36～75V、VOUT= 3.25～3.35V(固定電壓)、IOUT(max)=32A、fsw=275～325kHz?，F設定VIN=48V、VOUT=3.3V、IOUT(max)=30A、fsw=300kHz，確定其電感器L1及COUT(圖中C19、C20)。計算如下：
(1)△I'OUT的計算(取系數為20%)
△I'OUT=0.2×IOUT(max)=0.2×30=6.0A
(2)L1的計算
L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(48V-3.3V)3.3V/(6.0A×300kHz×48V)
=1.7μH
取LACT=2μH
(3)△IOUT復算
△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(LACT×fsw×VIN )
=(48V-3.3V)3.3V/(2μH×300kHz×48V)
=5.1A
(4)選擇POSCAP電容器
選擇6TPD330M，其ESR=10mΩ，允許紋波電流△IOUT(ALLOW)=4.4A(額定電壓6.3V、電容量330μF)。取兩個6TPD330M并聯，△IOUT(ALLOW)=2× 4.4A=8.8A，滿足電容器的兩個條件。
(5)△VOUT計算
△VOUT=△IOUT×ESR/N
=5.1A×10mΩ/2=25.5mV
查UCC2891原文資料，計算結果與原文資料相符。
若使用條件改成VIN=72V，L1、 IOUT(max)、fsw、VOUT不變，計算結果： △IOUT=5.24A，仍取兩個6TPD330M作輸出電容。同時也證明了輸入電壓由48V升到72V時，對△IOUT影響不大，可以不改變原有的電容器。
由UCC2891組成的評估板如圖8所示。
圖8 由UCC2891組成的評估板
3、MAX8720(美信公司)
MAX8720是同步整流降壓式控制器，由它組成的DC/DC轉換器電路如圖9所示。輸入電壓VIN=7～28V、輸出電壓VOUT=0.27～1.85V、輸出電流 IOUT(max)=15A、開關頻率fsw有4種：200kHz、300kHz、550kHz和1000kHz。
圖9 由MAX8720組成的DC/DC轉換器電路
現設定使用條件：VIN=12V、VOUT=1.2V、IOUT(max)=15A、fsw=300kHz，計算L1及COUT。計算如下：
在△I'OUT的估算時，系數取0.3，得4.5A；計算L1得0.8μH，LACT取0.8μH；計算△IOUT得4.5A；選擇2R5TPE470M9×2(其參數：額定電壓為2.5V、電容量為470μF、最大ESR為9mΩ，最大允許紋波電流為3.9A)，可滿足電容器的兩個要求。
△VOUT計算得20.3mV。圖9中采用3×2R5TPE470M9，這可能考慮滿足不同使用條件及改善負載瞬態響應及減小輸出紋波電壓。
圖9的電路上，COUT還并聯一個 10μF的多層陶瓷電容器。由MAX8720組成的評估板如圖10所示。
圖10 由MAX8720組成的評估板
4、LTM4600(凌特公司)
LTM4600是一種輸出10A的微型DC/DC模塊，只要外接CIN、COUT及一個確定輸出電壓的電阻，即組成完整的降壓式DC/DC轉換器。其輸入電壓范圍4.5～20V，輸出電壓范圍0.9～5V，典型應用電路如圖11所示。
圖11 LTM4600的典型應用電路
現使用條件為VIN=12V、VOUT= 2.5V、fsw=800kHz、工作溫度-40～+85℃、IOUT(max)=10A，確定其輸出電容器COUT(電感L1已做在模塊中了)。其計算如下：
(1)△I'OUT=0.3 IOUT(max)=0.3×10A=3A
(2)L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(12V-2.5V)×2.5V/(3A×800kHz×12V)
=0.82μH，取LACT=0.8μH
(3)△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(12V-2.5V)×2.5V/(800kHz×0.8μH×12V)
=3.1A
(4)選擇型號為4TPE470MCL的電容器，其額定電壓為4V、電容量為470μF，ESR為12mΩ，允許紋波電流為3.5A，滿足對電容器的兩個要求。
(5)△VOUT=△IOUT×ESR
=3.1A×12mΩ=37.2mV
圖11中COUT還并聯了22μF/6.3V×3的陶瓷電容器(MLCC)。
計算說明
以上的計算舉例是根據各廠家的數據資料中的典型應用電路為基礎進行計算的，計算結果與數據資料的參數相符或十分接近，說明這種計算有一定的實用價值。另外，以上計算是一種簡易計算，沒有考慮電容器的允差及溫度對ESR及電容量的影響。最后需要通過實驗來證實或修改(如增加小容量的MLCC)。
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