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    聚合物電容器在DC/DC變換器中應用

    發布時間:2008-11-05 來源:福建國光電子科技股份有限公司

    中心論題:

    • 新型PA-Cap電容器應用于DC/DC變換器輸出端濾波,在濾除紋波方面效果優越
    • 通過實驗確定濾波電容在DC/DC變換器中的應用時影響輸出紋波電壓的主要參數
    • 實驗證明濾波電容器類型和電容器等效串聯電阻ESR值是輸出紋波電壓的決定因素
    • PA-Cap聚合物電容器具有很多優點,作為DC/DC變換器輸出濾波電容是理想的選擇

    解決方案:

    • 使用合適的濾波電容器可以保證DC/DC變換器具有低電壓、大電流輸出
    • 在DC/DC變換器中,可以優先選用PA-Cap作為輸出電容

    電子產品的工作電壓正在不斷降低,這就要求DC/DC變換器具有低電壓、大電流輸出。目前在DC/DC變換器中,通常使用鉭電解電容器作為濾波電容。采用新型的PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器應用于DC/DC變換器輸出端濾波,在濾除紋波方面,很有效地獲得優于鉭電解電容器的電氣指標。

    PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器,采用高純度鋁箔作為陽極,在鋁箔表面生成的三氧化二鋁(Al2O3)作為電介質,固態的高導電聚合物作為陰極。PA-Cap具有極低等效串聯電阻、穩定的溫度頻率特性、允許通過大紋波電流、不燃燒不爆炸安全可靠、尺寸小的特點。

    紋波電壓是輸出電壓隨開關頻率的變化量,是電流中交流成分產生的。如果將電容器的特性參數等效為電容量C、等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL的串聯,如圖1,

    圖1 電容器特性參數等效圖

    則濾波電路中輸出紋波電壓可表示為:
                                                            Vr=VC+VESR+VESL
    其中VC是由容抗XC產生的紋波電壓,VESR是由等效串聯電阻ESR產生的紋波電壓,VESL由等效串聯電感ESL產生的紋波電壓,△I為輸出紋波電流。

    本文通過實驗,確定PA-Cap在DC/DC變換器中的應用時,影響DC/DC變換器輸出紋波電壓的主要參數是電容器的等效串聯電阻ESR。在DC/DC變換器中,可以優先選用PA-Cap作為輸出電容。

    實驗
    根據DC/DC變換器生產商提供的評估板資料和典型應用電路,PA-Cap作為濾波電容在DC/DC變換器CS5211DEMO/D評估板線路中的應用,實驗的線路原理圖如圖2。

    圖2 CS5211DEMO/D實驗電路原理圖

    CS5211變換器工作頻率fsw為496KHz;輸入電壓=5V,輸入電流=1.8A;輸出電壓=2.5V,負載電流=2.4A。

    實驗儀器:Agilent 4284A LCR測試儀,TDS1002示波器。

    實驗環境:26℃、50%RH。

    電路中電壓輸入端C6.7.8接入PA-Cap 6.3V/22μF。在輸出端C20.21位置分別接上鉭電解電容器:10V/470μF、16V/220μF和PA-Cap聚合物電容器:10V/22μF、4V/82μF作為濾波電容器,用示波器測量電路的輸出紋波電壓Vr。

    結果與討論
    1)在C20.21位置接不同電容器時,電容器參數與輸出紋波電壓如表1。
                               
                                表1 電容器參數及CS5211DEMO/D輸出紋波電壓
     

    電容類型 電容規格 容量(μF)
    (100Hz)
     

    損耗(%)
    (100Hz)
     

    ESR(mΩ)
    (100kHz)
     
    輸出紋波電壓
    Vr (mV)
     
    鉭電容 10V/470μF 474.3 3.8 117 36.4
    16V/220μF 226.1 3.1 54 13.4
    PA-Cap 10V/22μF 23 2.1 24 14.5
    4V/82μF 84.4 2.0 28 6.69

    2)在C20.21接不同電容器時,輸出紋波電壓波形如圖3所示。

    (A) C20.21為鉭電容10V/470μF的輸出波形          (B) C20.21為鉭電容16V/220μF的輸出波形


    (C) C20.21為PA-Cap 10V/22μF的輸出波形        (D) C20.21為PA-Cap 4V/82μF的輸出波形

    圖3 C20.21接不同電容器輸出紋波電壓波形

    根據輸出紋波電壓:Vr=VC+VESR+VESL,由于鉭電解電容器的塊狀結構和PA-Cap的片式結構,其等效串聯電感ESL均很小,式中的VESL≈0可以忽略,即: Vr≈VESR+VC=(ESR+1/ωC)*△I,所以影響DC/DC變換器輸出紋波電壓Vr主要由電容器的C和ESR的因素決定。

    由于鉭電容的陰極材料為MnO2二氧化錳,其電導率較低(λ=0.1S/cm),而PA-Cap電容器采用導電高分子聚合物作為陰極材料,其電導率達到100S/cm,比鉭電容高1000倍,PA-Cap具有快速的電流轉換能力和瞬時響應能力,因此小容量就可以達到鉭電容大容量的濾波效果。從圖3中的(B)和(C)可以看出,兩種電容的容量相差10倍而輸出紋波電壓幾乎相同都在14 mV左右。

    依據Vr≈(ESR+1/ωC)*△I,在電容量和輸出紋波電流一定的情況下,電容器的等效串聯電阻ESR值越小輸出紋波電壓Vr也越小。從表1中可以看出,作為濾波電容10V/22μF的PA-Cap電容由于ESR只有24 mΩ比10V/470μF(ESR=117 mΩ)鉭電容輸出紋波電壓的效果還要好很多,以上實際的測試波形和數據充分證明了ESR等效串聯電阻直接影響輸出紋波電壓的效果。

    結論
    DC/DC變換器的輸出端濾波使用的電容器類型和電容器等效串聯電阻ESR值是輸出紋波電壓的決定因素。PA-Cap聚合物電容器具有快速的電流轉換能力和瞬時響應能力、極低等效串聯電阻ESR值、允許通過大紋波電流的特點,DC/DC變換器中使用PA-Cap聚合物電容器作為輸出濾波電容是一個理想的選擇。
     

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