POSCAP在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用

作者：北京航空航天大學(xué) 方佩敏

POSCAP的結(jié)構(gòu)

“POSCAP”是“聚合物有機(jī)半導(dǎo)體固態(tài)電解電容器”的英文縮寫。大部分POSCAP的陽極是燒結(jié)鉭，僅少部分的陽極為鋁箔，其介質(zhì)分別為氧化鉭(Ta2O5)及氧化鋁(Al2O3)，而電解質(zhì)(陰極)都是固態(tài)的、導(dǎo)電性能良好的高分子聚合物。由于采用了導(dǎo)電性能好的固態(tài)高分子聚合物作電解質(zhì)，使它們具有尺寸小而電容量大、極低的ESR(等效串聯(lián)電阻)及很大的允許紋波電流的特點(diǎn)。POSCAP是小尺寸貼片式封裝的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示。

POSCAP的特點(diǎn)及特性

POSCAP的主要特點(diǎn)：有適合不同要求的系列(如表4所示)；的封裝尺寸為0805；ESR低及允許紋波電流大，如型號(hào)為2R5TPD680M5的POSCAP，其額定電壓為2.5V、電容量為680μF，的ESR僅為5mΩ，允許的紋波電流為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(shù)在8%～15%范圍內(nèi)；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(nèi)）；有較好的溫度特性；能承受20A瞬態(tài)沖擊電流；壽命長，在105℃時(shí)可達(dá)2000小時(shí)；工作溫度范圍-55～+105℃(有一些品種的溫度為+85℃，TH系列可工作在125℃的環(huán)境溫度，見表4）；出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)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(lán)色的是2R5TPD 470M5(2.5V/470μF)、紫色的是2R5TPD680M5(2.5V/680μF）；實(shí)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(nèi)，ESR特性十分平坦(即ESR變化不大)，并且其ESR值小于5mΩ。

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。

允許的紋波電流值與頻率及溫度有關(guān)，工作在不同頻率范圍及溫度范圍時(shí)，要乘以頻率補(bǔ)償系數(shù)及溫度補(bǔ)償系數(shù)，如表2及表3所示。

POSCAP各系列主要參數(shù)如表4所示。

POSCAPD在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用

近年來，電子產(chǎn)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(fā)出很多高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器，以滿足市場的需求。

這些DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的工作溫度范圍為-40～+85℃，開關(guān)頻率主要在300kHz～1.5MHz范圍內(nèi)，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(zhuǎn)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(guān)管Q1、同步整流管Q2、驅(qū)動(dòng)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。

生產(chǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的公司在數(shù)據(jù)資料中給出參數(shù)齊全的典型應(yīng)用電路，用戶可按電路圖組成完整的電源。不少DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商為了幫助用戶開發(fā)新產(chǎn)品，還專門提供評(píng)估板，可加速開發(fā)的周期。如果用戶的使用條件(如開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)與典型應(yīng)用電路有差別，則電路中的有關(guān)元器件的參數(shù)也要做相應(yīng)的改變，這是經(jīng)常會(huì)碰到的。

本文介紹在使用條件改變時(shí)，如何確定電感器L1值及輸出電容COUT值的簡單計(jì)算方法，并舉一些實(shí)例說明其應(yīng)用。

簡單的計(jì)算公式

使用條件改變后，原典型應(yīng)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(jù)新的使用條件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前要已知的條件是，輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT、輸出電流IOUT(max)及開關(guān)頻率fsw。計(jì)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(shí)，可取IOUT(max)的20%～40%，即

(1)　△I'OUT=(0.2-0.4)IOUT(max)

在fsw高、IOUT(max)大時(shí)取小值，反之取大值。

2、電感器L1的計(jì)算

電感器L1可按下式計(jì)算：

(2)　L1=(VIN-VOUT)×VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )

計(jì)算后的L1值應(yīng)按相近的標(biāo)準(zhǔn)系列值選取，如計(jì)算出來的L1=2.06μH，可取標(biāo)準(zhǔn)值2.2μH，取實(shí)際電感值LACT=2.2μH。所選的電感器L1的飽和電流應(yīng)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(fù)算

可根據(jù)LACT來復(fù)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(jù)已知的VOUT及計(jì)算出的△IOUT，按POSCAP樣本選擇合適的輸出電容器COUT。要滿足兩個(gè)條件：VOUT=(0.8～ 0.9)VRATED(VRATED為電容器的額定電壓）；△IOUT(ALLOW)>△IOUT(△IOUT(ALLOW)是電容器的允許紋波電流)。

若所選的單個(gè)電容器的△IOUT(ALLOW)不能滿足大于△IOUT的要求，則可用幾個(gè)同型號(hào)的電容器并聯(lián)，使?jié)M足下式： (4)　△IOUT(ALLOW)×N>△IOUT

式中N為并聯(lián)的電容器數(shù)。

5、的輸出紋波電壓△IOUT計(jì)算

在選定電容器后，可知道該型號(hào)電容器的ESR值，則輸出紋波電壓△VOUT為：

(5)　△VOUT=△IOUT×ESR/N

如果按式(5)計(jì)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(wěn)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。這里采用POSCAP電容器是充分發(fā)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(lián)數(shù)。近年來，不少DC/DC控制器生產(chǎn)廠家在其典型應(yīng)用電路及評(píng)估板上都采用了POSCAP。

計(jì)算實(shí)例

1、LM2745(國家半導(dǎo)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(zhuǎn)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(nèi)部電路供電的)、輸出電壓VOUT=1.2V、輸出電流IOUT(max)=16A、開關(guān)頻率fsw=1000kHz。現(xiàn)計(jì)算其電感器L1及CO1(圖5中CO1、2是CO1與CO2并聯(lián)，CO2是0.1μF、16V的多層陶瓷電容器)。

(1)△I'OUT的估算

因開關(guān)頻率較高，輸出電流IOUT(max)較大，采用20%的系數(shù)，則有：

△I'OUT=20%IOUT(max)=0.2×1.6A=3.2A

(2)電感器L1的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值，即LACT= 0.22μH

(3)紋波電流的復(fù)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(gè)條件。

(5)輸出紋波電壓的計(jì)算

△VOUT=△IOUT×ESR
=3.4A×10mΩ=34mV

由LM2745組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器評(píng)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(dòng)，計(jì)算如下。

(1)△I'OUT的估算

△I'OUT=0.4 IOUT(max)=0.4×2A=0.8A

(2)L1的計(jì)算

L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(0.8A×300kHz×5V)
=5.2μH

L1取標(biāo)準(zhǔn)電感值6.8μH，即LACT=6.8μH

(3)△IOUT的計(jì)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(hào)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(gè)條件。

(5)△VOUT的計(jì)算

△VOUT=△IOUT×ESR
=0.61A×45 mΩ=27.4mV

計(jì)算的結(jié)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。

使用條件：VIN=36～75V、VOUT= 3.25～3.35V(固定電壓)、IOUT(max)=32A、fsw=275～325kHz?，F(xiàn)設(shè)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(jì)算如下：

(1)△I'OUT的計(jì)算(取系數(shù)為20%)

△I'OUT=0.2×IOUT(max)=0.2×30=6.0A

(2)L1的計(jì)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(fù)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(gè)6TPD330M并聯(lián)，△IOUT(ALLOW)=2× 4.4A=8.8A，滿足電容器的兩個(gè)條件。

(5)△VOUT計(jì)算

△VOUT=△IOUT×ESR/N
=5.1A×10mΩ/2=25.5mV

查UCC2891原文資料，計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果： △IOUT=5.24A，仍取兩個(gè)6TPD330M作輸出電容。同時(shí)也證明了輸入電壓由48V升到72V時(shí)，對(duì)△IOUT影響不大，可以不改變?cè)械碾娙萜鳌?/p>

由UCC2891組成的評(píng)估板如圖8所示。

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(zhuǎn)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(guān)頻率fsw有4種：200kHz、300kHz、550kHz和1000kHz。

現(xiàn)設(shè)定使用條件：VIN=12V、VOUT=1.2V、IOUT(max)=15A、fsw=300kHz，計(jì)算L1及COUT。計(jì)算如下：

在△I'OUT的估算時(shí)，系數(shù)取0.3，得4.5A；計(jì)算L1得0.8μH，LACT取0.8μH；計(jì)算△IOUT得4.5A；選擇2R5TPE470M9×2(其參數(shù)：額定電壓為2.5V、電容量為470μF、ESR為9mΩ，允許紋波電流為3.9A)，可滿足電容器的兩個(gè)要求。

△VOUT計(jì)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)及減小輸出紋波電壓。

圖9的電路上，COUT還并聯(lián)一個(gè) 10μF的多層陶瓷電容器。由MAX8720組成的評(píng)估板如圖10所示。

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(gè)確定輸出電壓的電阻，即組成完整的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。其輸入電壓范圍4.5～20V，輸出電壓范圍0.9～5V，典型應(yīng)用電路如圖11所示。

現(xiàn)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(jì)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(hào)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(duì)電容器的兩個(gè)要求。

(5)△VOUT=△IOUT×ESR
=3.1A×12mΩ=37.2mV

圖11中COUT還并聯(lián)了22μF/6.3V×3的陶瓷電容器(MLCC)。

計(jì)算說明

以上的計(jì)算舉例是根據(jù)各廠家的數(shù)據(jù)資料中的典型應(yīng)用電路為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)資料的參數(shù)相符或十分接近，說明這種計(jì)算有一定的實(shí)用價(jià)值。另外，以上計(jì)算是一種簡易計(jì)算，沒有考慮電容器的允差及溫度對(duì)ESR及電容量的影響。需要通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)或修改(如增加小容量的MLCC)。

使用POSCAP有一些注意事項(xiàng)，請(qǐng)參看POSCAP樣本。