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为什么要将电解电容器更换为MLCC呢?有哪些好处

电解电容 贴片电容 电容寿命 作者:admin 来源:不详 发布时间:2017-07-25 17:30:06   浏览:14

1、MLCC的大容量化使其可用于更换电解电容器

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。


2、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?

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(ErrorAmplifier)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。



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。


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。


3、容量大,但会因自己发热容易导致寿命变短的电解电容器

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

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)。

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。

4、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。

编辑:admin  最后修改时间:2017-07-26