中心論題：
- 新型PA-Cap電容器應(yīng)用于DC/DC變換器輸出端濾波，在濾除紋波方面效果優(yōu)越
- 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定濾波電容在DC/DC變換器中的應(yīng)用時(shí)影響輸出紋波電壓的主要參數(shù)
- 實(shí)驗(yàn)證明濾波電容器類(lèi)型和電容器等效串聯(lián)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(yōu)點(diǎn)，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?xún)?yōu)先選用PA-Cap作為輸出電容
電子產(chǎn)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(yīng)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(yōu)于鉭電解電容器的電氣指標(biāo)。
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(yáng)極，在鋁箔表面生成的三氧化二鋁（Al2O3）作為電介質(zhì)，固態(tài)的高導(dǎo)電聚合物作為陰極。PA-Cap具有極低等效串聯(lián)電阻、穩(wěn)定的溫度頻率特性、允許通過(guò)大紋波電流、不燃燒不爆炸安全可靠、尺寸小的特點(diǎn)。
紋波電壓是輸出電壓隨開(kāi)關(guān)頻率的變化量，是電流中交流成分產(chǎn)生的。如果將電容器的特性參數(shù)等效為電容量C、等效串聯(lián)電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL的串聯(lián)，如圖1，
圖1 電容器特性參數(shù)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(chǎn)生的紋波電壓，VESR是由等效串聯(lián)電阻ESR產(chǎn)生的紋波電壓，VESL由等效串聯(lián)電感ESL產(chǎn)生的紋波電壓，△I為輸出紋波電流。
本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定PA-Cap在DC/DC變換器中的應(yīng)用時(shí)，影響DC/DC變換器輸出紋波電壓的主要參數(shù)是電容器的等效串聯(lián)電阻ESR。在DC/DC變換器中，可以?xún)?yōu)先選用PA-Cap作為輸出電容。
實(shí)驗(yàn)
根據(jù)DC/DC變換器生產(chǎn)商提供的評(píng)估板資料和典型應(yīng)用電路，PA-Cap作為濾波電容在DC/DC變換器CS5211DEMO/D評(píng)估板線(xiàn)路中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)路原理圖如圖2。
圖2 CS5211DEMO/D實(shí)驗(yàn)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(fù)載電流＝2.4A。
實(shí)驗(yàn)儀器：Agilent 4284A LCR測(cè)試儀，TDS1002示波器。
實(shí)驗(yàn)環(huán)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(cè)量電路的輸出紋波電壓Vr。
結(jié)果與討論
1）在C20.21位置接不同電容器時(shí)，電容器參數(shù)與輸出紋波電壓如表1。
表1 電容器參數(shù)及CS5211DEMO/D輸出紋波電壓
| 電容類(lèi)型 | 電容規(guī)格 | 容量(μF) (100Hz) |
損耗(%) |
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(shí)，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(jù)輸出紋波電壓：Vr=VC+VESR+VESL，由于鉭電解電容器的塊狀結(jié)構(gòu)和PA-Cap的片式結(jié)構(gòu)，其等效串聯(lián)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(dǎo)率較低（λ＝0.1S/cm），而PA-Cap電容器采用導(dǎo)電高分子聚合物作為陰極材料，其電導(dǎo)率達(dá)到100S/cm,比鉭電容高1000倍，PA-Cap具有快速的電流轉(zhuǎn)換能力和瞬時(shí)響應(yīng)能力,因此小容量就可以達(dá)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(jù)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(lián)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(shí)際的測(cè)試波形和數(shù)據(jù)充分證明了ESR等效串聯(lián)電阻直接影響輸出紋波電壓的效果。
結(jié)論
DC/DC變換器的輸出端濾波使用的電容器類(lèi)型和電容器等效串聯(lián)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(zhuǎn)換能力和瞬時(shí)響應(yīng)能力、極低等效串聯(lián)電阻ESR值、允許通過(guò)大紋波電流的特點(diǎn)，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(gè)理想的選擇。
