聚合物电容器在DC/DC变换器中应用

relchhiclty

聚合物电容器在DC/DC变换器中应用

& Q7 R( ]+ i* C; h) B& J

电子产品的工作电压正在不断降低，这就要求DC/DC变换器具有低电压、大电流输出。目前在DC/DC变换器中，通常使用钽电解电容器作为滤波电容。采用新型的PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器应用于DC/DC变换器输出端滤波，在滤除纹波方面，很有效地获得优于钽电解电容器的电气指标。

$ b5 a8 _8 \5 X3 w# V

PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器，采用高纯度铝箔作为阳极，在铝箔表面生成的三氧化二铝（Al2O3）作为电介质，固态的高导电聚合物作为阴极。PA-Cap具有极低等效串联电阻、稳定的温度频率特性、允许通过大纹波电流、不燃烧不爆炸安全可靠、尺寸小的特点。

8 C6 b& a0 @8 i0 ]* R/ t/ V: R
# u& u: Y# f* {4 a9 h

纹波电压是输出电压随开关频率的变化量，是电流中交流成分产生的。如果将电容器的特性参数等效为电容量C、等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL的串联，如图1，

图1 电容器特性参数等效图

) P+ t  x: e8 X

则滤波电路中输出纹波电压可表示为：

Vr=VC+VESR+VESL

其中VC是由容抗XC产生的纹波电压，VESR是由等效串联电阻ESR产生的纹波电压，VESL由等效串联电感ESL产生的纹波电压，△I为输出纹波电流。

' g/ G6 K% O# j8 o) b

本文通过实验，确定PA-Cap在DC/DC变换器中的应用时，影响DC/DC变换器输出纹波电压的主要参数是电容器的等效串联电阻ESR。在DC/DC变换器中，可以优先选用PA-Cap作为输出电容。

+ m1 T2 H/ ^3 {: r4 W

实验

根据DC/DC变换器生产商提供的评估板资料和典型应用电路，PA-Cap作为滤波电容在DC/DC变换器CS5211DEMO/D评估板线路中的应用，实验的线路原理图如图2。

图2 CS5211DEMO/D实验电路原理图

0 A" s9 F8 J( A

CS5211变换器工作频率fsw为496KHz；输入电压＝5V，输入电流＝1.8A；输出电压＝2.5V，负载电流＝2.4A。

实验仪器：Agilent 4284A LCR测试仪，TDS1002示波器。

8 g& n  p0 R. R* v0 \- q2 {) u

实验环境：26℃、50%RH。

! W0 X6 x+ L, \
$ L- K6 @& d* m+ B$ z& M7 q6 m

电路中电压输入端C6.7.8接入PA-Cap 6.3V/22μF。在输出端C20.21位置分别接上钽电解电容器：10V/470μF、16V/220μF和PA-Cap聚合物电容器：10V/22μF、4V/82μF作为滤波电容器，用示波器测量电路的输出纹波电压Vr。

1 x8 q5 i5 @: B2 E, A+ H

结果与讨论

4 f, O/ `- M$ a  i+ I

1）在C20.21位置接不同电容器时，电容器参数与输出纹波电压如表1。

: _, p% u4 u0 h5 o/ P" }' c

表1 电容器参数及CS5211DEMO/D输出纹波电压

4 k. r7 B* H$ i  R
7 e8 U) B# ^( y7 f& @( r' i7 ~电容类型 电容规格 容量(μF)
(100Hz)

损耗(%)
（100Hz）
. S  P3 _3 b3 F% V: F# I

ESR(mΩ)
, d9 q% s+ A  N; V9 i/ j% X(100kHz)
: K' \. S8 v; B" T( K# T/ [输出纹波电压
Vr (mV)
钽电容 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
1 y6 ~' ^) m4 V* y

2）在C20.21接不同电容器时，输出纹波电压波形如图3所示。

- |! j+ V, t! g7 J! ?% O
' y/ A' N) H( e5 [9 D

(A) C20.21为钽电容10V/470μF的输出波形 (B) C20.21为钽电容16V/220μF的输出波形

7 y) U  O" T! B0 s2 o/ [9 N
- m6 |2 B5 ]4 u: S/ g8 L: }

(C) C20.21为PA-Cap 10V/22μF的输出波形 (D) C20.21为PA-Cap 4V/82μF的输出波形

图3 C20.21接不同电容器输出纹波电压波形

; m  e5 P* n+ n' i& D/ m% ^

根据输出纹波电压：Vr=VC+VESR+VESL，由于钽电解电容器的块状结构和PA-Cap的片式结构，其等效串联电感ESL均很小，式中的VESL≈0可以忽略，即： Vr≈VESR+VC=(ESR+1/ωC)*△I，所以影响DC/DC变换器输出纹波电压Vr主要由电容器的C和ESR的因素决定。

1 Q4 w6 U' x5 ?6 P
7 l, H( A  K' N% v8 ?6 M/ O0 x

由于钽电容的阴极材料为MnO2二氧化锰，其电导率较低（λ＝0.1S/cm），而PA-Cap电容器采用导电高分子聚合物作为阴极材料，其电导率达到100S/cm,比钽电容高1000倍，PA-Cap具有快速的电流转换能力和瞬时响应能力,因此小容量就可以达到钽电容大容量的滤波效果。从图3中的（B）和(C)可以看出，两种电容的容量相差10倍而输出纹波电压几乎相同都在14 mV左右。

1 p3 G# Q1 X! R; r' _! D$ w

依据Vr≈(ESR+1/ωC)*△I，在电容量和输出纹波电流一定的情况下,电容器的等效串联电阻ESR值越小输出纹波电压Vr也越小。从表1中可以看出，作为滤波电容10V/22μF的PA-Cap电容由于ESR只有24 mΩ比10V/470μF（ESR＝117 mΩ）钽电容输出纹波电压的效果还要好很多，以上实际的测试波形和数据充分证明了ESR等效串联电阻直接影响输出纹波电压的效果。

5 G( _+ I+ R7 G1 e  e

结论
DC/DC变换器的输出端滤波使用的电容器类型和电容器等效串联电阻ESR值是输出纹波电压的决定因素。PA-Cap聚合物电容器具有快速的电流转换能力和瞬时响应能力、极低等效串联电阻ESR值、允许通过大纹波电流的特点，DC/DC变换器中使用PA-Cap聚合物电容器作为输出滤波电容是一个理想的选择。

4 Y8 T% u: C' i, z# F/ Y

SallyDai2

聚合物电容器在DC/DC变换器中应用。