1.前言

多層陶瓷電容器 (MLCC) 在電子電路中很受歡迎，特別是用于去耦電源。

但由于 2018 年開始，大尺寸 MLCC 的市場(chǎng)嚴(yán)重短缺，因此變得更難采購。到目前為止采購起來都比較困難。

因此，我正在尋找減少 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器中 MLCC 數(shù)量的方法。

2. 具體方案

大限度減少 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的 MLCC 數(shù)量的一種選擇是選擇一種能夠使用較少外部電容器工作的器件。

另一種選擇是選擇具有 TI D-CAP+? 控制模式的 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。增加開關(guān)頻率也有助于減少電容器數(shù)量。例如，將TPS563201的開關(guān)頻率從 580 kHz 增加到 1.4 MHz 導(dǎo)致TPS563249的設(shè)計(jì)減少了一個(gè)電容器。

今天來研究一下減少 DC/DC 穩(wěn)壓器的 MLCC 數(shù)量的選項(xiàng)考慮了使用替代技術(shù)。

最常見的替代技術(shù)類型是薄膜、鋁（液體和聚合物）和鉭（固體和聚合物）。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，包括它們的電容、電壓范圍、等效串聯(lián)電阻 (ESR)、尺寸和額定電流。

在為 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器選擇電容器時(shí)，ESR 通常是最大的區(qū)分因素，因?yàn)樗礁?，輸出電?a href="/tags/紋波" target="_blank">紋波、發(fā)熱和輸入噪聲就越多，這就是為什么 MLCC 很受歡迎的原因，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂凶畹偷?ESR。鋁聚合物電容器與 MLCC 具有幾個(gè)共同特征，并且具有足夠低的 ESR，可以在設(shè)計(jì)人員中替代 MLCC。

圖 1：各種電容器技術(shù)的 ESR

鋁聚合物電容器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們比 MLCC 大。使用提供印刷電路板 (PCB) 布局信息的WEBENCH® 電源設(shè)計(jì)器工具時(shí)，我們可以在圖 2 中看到，如果您用一個(gè)鋁聚合物電容器替換TPS568215同步降壓轉(zhuǎn)換器的五個(gè)輸出 MLLC，則兩種解決方案占用相似表面積。

圖 2：在 WEBENCH 電源設(shè)計(jì)器工具中將 MLCC 替換為用于 TPS568215 的鋁聚合物電容器

現(xiàn)在的問題歸結(jié)為性能。鋁聚合物電容器與MLCC相比如何，它們能否在不迫使設(shè)計(jì)人員做出太多妥協(xié)的情況下真正取代MLCC？

為了得到一個(gè)粗略的想法，我使用了 WEBENCH Power Designer 工具來模擬一些負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。如圖 3 所示，在輸出端使用鋁聚合物電容器而不是 MLCC 會(huì)使輸出電壓紋波增加十倍。因此，如果您需要良好的性能，僅用鋁聚合物電容器替換 MLCC 不是一個(gè)可行的選擇。

圖 3：在帶有輸出 MLCC 的 TPS568215 的 WEBENCH 電源設(shè)計(jì)器工具上運(yùn)行的負(fù)載瞬態(tài)仿真 (a)；和鋁聚合物電容器 (b)

如何結(jié)合 MLCC 和鋁聚合物電容器來幫助降低電壓紋波，同時(shí)最大限度地減少 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的陶瓷數(shù)量？為了確定這一點(diǎn)，我使用TPS568215 評(píng)估模塊 (EVM)進(jìn)行了一些真實(shí)的 PCB 測(cè)試。該策略首先對(duì) EVM 的初始配置運(yùn)行一些測(cè)試，通過將輸入電壓紋波、輸出電壓紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)響應(yīng)和關(guān)閉響應(yīng)與數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來驗(yàn)證測(cè)試設(shè)置。然后，我在 EVM 的輸入和輸出端嘗試了不同的電容器配置。

顯示出與初始配置最接近的結(jié)果的兩種設(shè)置是混合使用鋁聚合物電容器和 MLCC，如圖 4 所示，其中圖 4a 中的設(shè)置測(cè)試了輸出電壓紋波，圖 4b 中的設(shè)置測(cè)試了輸入電壓波紋。

圖 4：TPS518215EVM 設(shè)置，其中一個(gè)鋁聚合物電容器與輸出端的一個(gè) MLCC 并聯(lián)（a）；一個(gè)鋁聚合物電容器與輸入端的三個(gè) MLCC 并聯(lián) (b)

測(cè)試是在 12V 輸入和 8A 負(fù)載下執(zhí)行的?？吹捷斎牒洼敵龅碾妷杭y波增加并不奇怪，但比僅使用鋁聚合物電容器時(shí)要小。

輸出電壓紋波從 8 mV 變?yōu)?14 mV，如圖 5 所示，而輸入電壓紋波從 13 mV 變?yōu)?24 mV，如圖 6 所示。

查看原始電容器配置與混合配置的 ESR 值可以解釋發(fā)生這種情況的原因。對(duì)于輸入設(shè)置，并聯(lián)使用四個(gè) MLCC 時(shí)的總 ESR 為 0.57 mΩ，而使用兩個(gè) MLCC 與一個(gè)鋁聚合物電容器并聯(lián)時(shí)的總 ESR 為 1.08 mΩ。對(duì)于輸出設(shè)置，并聯(lián)使用四個(gè) MLCC 時(shí)的總 ESR 為 1.05 mΩ，而使用一個(gè) MLCC 與一個(gè)鋁聚合物電容器并聯(lián)時(shí)的總 ESR 為 1.57 mΩ。

圖 5：具有四個(gè)并聯(lián) MLCC 的 TPS518215EVM 的輸出電壓紋波 (a)；一個(gè)鋁聚合物電容器與一個(gè) MLCC 并聯(lián) (b)

圖 6：具有六個(gè)并聯(lián) MLCC 的 TPS518215EVM 的輸入電壓紋波 (a)；一個(gè)鋁聚合物電容器與三個(gè) MLCC 并聯(lián) (b)

正如我在本文中所展示的，減少 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的 MLCC 數(shù)量的一種方法是用鋁聚合物電容器替換其中的一些。不用說，您將需要進(jìn)一步的測(cè)試來檢查這種混合電容器配置的性能是否仍然符合您的設(shè)計(jì)要求。每個(gè)電容器都有自己的特性，每個(gè)設(shè)計(jì)都有自己的要求，但是當(dāng) MLCC 供不應(yīng)求時(shí)，這種替代方案絕對(duì)值得牢記。