非MLCC替换案例 : 用MLCC替换聚合物电容器

非MLCC替换案例 : 用MLCC替换聚合物电容器

近年来，多层陶瓷电容器（MLCC）在容量方面取得了显著进展，村田现已推出容量超过100uF的MLCC产品，如220uF和330uF。在服务器和基站设备中，CPU和存储器的电源需要处理大电流，通常采用聚合物电容器作为DC-DC转换器的平滑电容器。本文将展示用大容量MLCC替换聚合物电容器的案例，说明这种替换如何实现设备小型化、提高可靠性和改善噪声性能。

1. 介绍

超过100uF的MLCC

最近，MLCC在增加容量方面取得了进展，现在村田可以提供超过100uF的MLCC，例如220uF或330uF。（单击此处搜索超过100uF的产品）另一方面，在服务器和基站设备中的CPU和存储器的电源需要处理大电流因而需要使用大容量电容器，尤其是聚合物电容器用作DC-DC转换器的平滑电容器。在这里，我们将展示一个用大容量MLCC代替聚合物电容的例子，这些MLCC有助于缩小尺寸、提高可靠性和改善噪音。本内容以DC-DC转换器测试板为例，介绍了将输出电容器从聚合物电容器替换为大容量MLCC的好处。

2. 用MLCC替换的优点

首先，我们将展示用MLCC来替换聚合物电容器的优势。

2. 纹波和尖峰噪声显著降低（见图1）

• 与聚合物电容器相比，MLCC具有更低的ESR和ESL，大大降低了输出噪声。

4. 可靠性高，使用寿命长（见图2）

• 由于MLCC的ESR较小，因此纹波电流产生的热量很小。因此，比聚合物电容器寿命更长。

6. 有助于缩小设备尺寸

• MLCC的尺寸比聚合物电容器小，因此使得设备可以做得更小。

（a）阻抗，ESR与频率的关系

（b）S21曲线

• *Polymer Ta : 聚合物钽电容器
  SWF : 开关频率
  S21低于聚合物电容器。
  →纹波和尖峰噪声可以进一步降低。
  图1 阻抗曲线和插入损耗

（a）聚合物电容器 / 1411 size / 100uF

（b）MLCC / 1206 size / 100uF

【unit : inch】
MLCC的温升斜率比聚合物电容器的温升斜率更小。
→使用寿命长，可靠性高。
图2 温度拉米曲线

3. 聚合物电容器DC-DC转换器的替换评估

更换并评估电路

作为替代品进行评估的DC-DC转换器测试板的电路图如下所示。输出侧的聚合物电容C1和C2将被替换。

图3（a）DC-DC转换器电路
图3（b）DC-DC转换器测试板
DC-DC转换器规格

• C1，C2 : 聚合物钽电容器 330uF / 4V / 2917 size
• 开关频率 : 400kHz
• 输入电压 : 14V，输出电压 : 1.5V
• 输出电流 : 30A
  【unit : inch】

替换建议

将输出电容器从聚合物电容器替换为MLCC，如下所示。
更换时，相位补偿电路常数也会根据电源特性进行调整。（见图4）
Output Capacitor

【unit : inch】

• 由于高频范围的阻抗低，因此可以降低容值。（见图1）
• 占用面积可减少83%！
  
  图4 相位补偿电路的调整

评估项目及结果

测量和比较①纹波和尖峰噪声，②负载瞬态(1)，③稳定性(2)，④电源转换效率。

①Ripple and Spike noise

图5 纹波 / 尖峰噪声
纹波改善了24%，尖峰噪声改善了16%！

②Load transient

图6 负载瞬态
负载瞬态等于或小于其初始状态。

③Stability

Measured item 初始 替换方案 标准
Phase margin (deg) 60.8 51.9 ≥45
Gain margin (dB) −8.84 −11.3 ≤−10
Cross over freq. (kHz) 53.1 72.4 ≤80

SWF/5=400kHz/5
图7 稳定性
更换后相位裕度、增益裕度、交叉频率均满足稳定性标准值！

④Efficiency

图8 Efficiency
更换前后的转换效率保持等效。

4. 总结

我们介绍了一个在DC-DC转换器测试板中使用具有低ESR和低ESL特性的MLCC替换聚合物电容器来作为输出电容的案例研究。通过用MLCC代替聚合物电容器，我们能够降低纹波和尖峰噪声。此外，负载瞬态和效率特性相当，并且符合稳定性标准；所占面积减少了83%；还提高了电容器的可靠性。对于DC-DC转换器中的大容量电容器，我们建议使用具有小型、可靠性高、噪声抑制效果好的MLCC产品。（单击此处搜索超过100uF的产品）

• (1)负载瞬态 :
  观察负载电流变化引起的电压波动幅度。
  在电流突然增加的情况下，DC-DC转换器无法瞬时响应。同时，会产生不足的电荷“⊿Q”。此时，输出电容暂时放电电荷以赶上电流的增加。当输出电压因放电而瞬时下降时，观察到电压降“⊿V”。
  ⊿V＝⊿Q/C
  如果负载电流突然减小，输出电压将反向瞬间上升。
  
  图9 “负载瞬态”说明
• (2)稳定性 :
  在电源电路等反馈电路中，通过观察反馈电路的增益和相位特性（图中的蓝色虚线）来检查稳定性。改变输出电容会改变增益和相位特性。此时，如果相位延迟而增益变大，则电源电路将根据条件振荡。如果更换导致不稳定情况，请调整相位补偿电路常数以确保稳定性。评估指标包括相位裕度、增益裕度和交叉频率。（见图10）
  
  Feed back loop :
  改变输出电容会改变该环路的增益和相位。观察增益曲线和相位曲线，看看它们是否符合标准。见图10（b），表1。
  相位补偿电路 :
  调整这些常数，使反馈环路增益和相位满足稳定性标准（表1）。
  图10（a）DCDC converter circuit
  
  图10（b）Gain/Phase vs. frequency（Bode diagram）
  表1 稳定性的标准Measured item Criteria
  Phase margin (deg) ≥45
  Gain margin (dB) ≤−10
  Cross over freq. (kHz) SWF/5