POSCAP在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用

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(yáng)極是燒結(jié)鉭，僅少部分的陽(yáng)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的主要特點(diǎn)：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(hào)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(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(zhǎng)，在105℃時(shí)可達(dá)2000小時(shí)；工作溫度范圍-55～+105℃(有一些品種的最高溫度為+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(wú)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。

近年來(lái)，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(chǎng)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(chǎn)，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(jiǎn)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(cè)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。

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(jiǎn)單計(jì)算方法，并舉一些實(shí)例說(shuō)明其應(yīng)用。

簡(jiǎn)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、最大輸出電流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 △iout

在初步估算△iout時(shí)，可取iout(max)的20%～40%，即

(1)　△iout=(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/(△iout×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(lái)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(lái)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)是電容器的最大允許紋波電流)。

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、最大的輸出紋波電壓△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(jì)算出來(lái)△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(lái)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(zhǎng)，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(lái)，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(guó)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、最大輸出電流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)。

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：

△iout=20%iout(max)=0.2×1.6a=3.2a

(2)電感器l1的計(jì)算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×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l(wèi)1及輸出電容co1作如何改動(dòng)，計(jì)算如下。

△iout=0.4 iout(max)=0.4×2a=0.8a

(2)l1的計(jì)算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×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。

(1)△iout的計(jì)算(取系數(shù)為20%)

△iout=0.2×iout(max)=0.2×30=6.0a

(2)l1的計(jì)算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×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。

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。

在△iout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、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(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。

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。

(1)△iout=0.3 iout(max)=0.3×10a=3a

(2)l1=(vin-vout)vout/(△iout×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(shuō)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(shuō)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(jiǎn)易計(jì)算，沒(méi)有考慮電容器的允差及溫度對(duì)esr及電容量的影響。最后需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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。