POSCAP在DC/DC轉換器中的應用

摘要

本文首先簡單地介紹三洋公司的poscap(一種以高分子聚合物為固態電解質的鉭或鋁電解電容器)。其主要特點是尺寸小而電容量大、esr低及允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式dc/dc轉換器中作輸出電容器。

dc/dc轉換器生產廠家給出參數齊全的典型應用電路圖，如果使用條件(如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流或開關頻率)有所改變，則典型應用電路中的有關元器件的參數要做相應的改變，這種情況是經常會碰到的。

本文介紹在使用條件改變后，可通過簡單計算，確定使用條件改變后的電感器和輸出電容器的值，并介紹如何選擇合適的poscap。

poscap的結構

“poscap”是“聚合物有機半導體固態電解電容器”的英文縮寫。大部分poscap的陽極是燒結鉭，僅少部分的陽極為鋁箔，其介質分別為氧化鉭(ta2o5)及氧化鋁(al2o3)，而電解質(陰極)都是固態的、導電性能良好的高分子聚合物。由于采用了導電性能好的固態高分子聚合物作電解質，使它們具有尺寸小而電容量大、極低的esr(等效串聯電阻)及很大的允許紋波電流的特點。poscap是小尺寸貼片式封裝的，其內部結構如圖1及圖2所示。


poscap的特點及特性

poscap的主要特點：有適合不同要求的系列(如表4所示)；最小的封裝尺寸為0805；esr低及允許紋波電流大，如型號為2r5tpd680m5的poscap，其額定電壓為2.5v、電容量為680μf，最大的esr僅為5mω，允許最大的紋波電流為6100ma；額定電壓范圍2.5～25v；電容量范圍5.6～1000μf；允差為±20%(m極）；損耗因數在8%～15%范圍內；漏電流≤0.1cv；有極好的吸收噪聲的特性；有極好的頻率特性(在10khz～10mhz范圍內）；有較好的溫度特性；能承受20a瞬態沖擊電流；壽命長，在105℃時可達2000小時；工作溫度范圍-55～+105℃(有一些品種的最高溫度為+85℃，th系列可工作在125℃的環境溫度，見表4）；出現故障時不會爆炸、燃燒，比一般的鉭電解電容器安全；無鉛封裝。

典型的poscap的esr與阻抗的頻率特性如圖3所示，藍色的是2r5tpd 470m5(2.5v/470μf)、紫色的是2r5tpd680m5(2.5v/680μf）；實線是阻抗的頻率特性，虛線是esr的頻率特性。從圖3中可看出：在10～1000khz范圍內，esr特性十分平坦(即esr變化不大)，并且其esr值小于5mω。

典型的poscap的esr溫度特性及電容量與溫度的特性如表1所示。

允許的紋波電流值與頻率及溫度有關，工作在不同頻率范圍及溫度范圍時，要乘以頻率補償系數及溫度補償系數，如表2及表3所示。

表2 頻率補償系數

表3 溫度補償系數(t為環境溫度)
poscap各系列主要參數如表4所示。

表4(注：*有部分品種環境溫度到+85℃；**最高環境溫度達+125℃；***全部品種環境溫度到+85℃。)

poscapd在dc/dc轉換器中的應用

近年來，電子產品的工作電壓不斷降低，從5v降到3v，甚至降到1.0v以下，相反的是輸出電流在增加，為此開發出很多高效率、低電壓、大電流降壓式dc/dc轉換器，以滿足市場的需求。

這些dc/dc轉換器電路的工作溫度范圍為-40～+85℃，開關頻率主要在300khz～1.5mhz范圍內，輸入電壓幾v到幾十v；輸出電壓一般從0.6～3.3v，輸出電流從幾a到幾十a，甚至上百a。

典型的同步整流降壓式dc/dc轉換器的輸入及輸出部分電路簡圖如圖4所示。它是由dc/dc控制器、開關管q1、同步整流管q2、驅動高端功率mosfet(q1)的自舉式升壓電路(由cboost及d1組成)、電流檢測電阻rcs、決定輸出電壓的r1、r2，電感器l1、輸入電容器cin及輸出電容器cout組成。

生產dc/dc轉換器的公司在數據資料中給出參數齊全的典型應用電路，用戶可按電路圖組成完整的電源。不少dc/dc轉換器生產商為了幫助用戶開發新產品，還專門提供評估板，可加速開發的周期。如果用戶的使用條件(如開關頻率、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流)與典型應用電路有差別，則電路中的有關元器件的參數也要做相應的改變，這是經常會碰到的。

本文介紹在使用條件改變時，如何確定電感器l1值及輸出電容cout值的簡單計算方法，并舉一些實例說明其應用。

簡單的計算公式

使用條件改變后，原典型應用電路中的電感器l1及輸出電容器cout的值可能要改變，可根據新的使用條件進行計算。計算前要已知的條件是，輸入電壓vin、輸出電壓vout、最大輸出電流iout(max)及開關頻率fsw。計算公式及步驟如下：

1、初步估算電路上的紋波電流 △iout

在初步估算△iout時，可取iout(max)的20%～40%，即

(1)　△iout=(0.2-0.4)iout(max)

在fsw高、iout(max)大時取小值，反之取大值。

2、電感器l1的計算

電感器l1可按下式計算：

(2)　l1=(vin-vout)×vout/(△iout×fsw×vin )

計算后的l1值應按相近的標準系列值選取，如計算出來的l1=2.06μh，可取標準值2.2μh，取實際電感值lact=2.2μh。所選的電感器l1的飽和電流應大于電感器的峰值電流ilp-p。

ilp-p可按ilp-p=1.2×iout(max)估算。

3、紋波電流△iout的復算

可根據lact來復算紋波電流△iout

(3)　△iout=(vin-vout)×vout/(fsw×lact×vin )

4、選擇合適的poscap電容器

根據已知的vout及計算出的△iout，按poscap樣本選擇合適的輸出電容器cout。要滿足兩個條件：vout=(0.8～ 0.9)vrated(vrated為電容器的額定電壓）；△iout(allow)>△iout(△iout(allow)是電容器的最大允許紋波電流)。

若所選的單個電容器的△iout(allow)不能滿足大于△iout的要求，則可用幾個同型號的電容器并聯，使滿足下式：

(4)　△iout(allow)×n>△iout

式中n為并聯的電容器數。

5、最大的輸出紋波電壓△iout計算

在選定電容器后，可知道該型號電容器的最大esr值，則最大輸出紋波電壓△vout為：

(5)　△vout=△iout×esr/n

如果按式(5)計算出來△vout不能滿足使用上的要求，則需要再選擇esr更低的(如低esr系列)或增加n值來解決。

要保證電路的穩定，其輸出電容的電容量是不大的，采用電容量大、esr小的電容器的目的是減小輸出紋波電壓及改善負載瞬態響應。這里采用poscap電容器是充分發揮它的特長，若采用其他電解電容器則往往需要更大的電容量或更多的并聯數。近年來，不少dc/dc控制器生產廠家在其典型應用電路及評估板上都采用了poscap。

計算實例

1、lm2745(國家半導體公司)

由lm2745高速同步整流降壓式控制器組成的降壓式dc/dc轉換器電路如圖5所示。該電路輸入電壓vin=3.3v、vcc=3.3v(vcc是給lm2745內部電路供電的)、輸出電壓vout=1.2v、最大輸出電流iout(max)=16a、開關頻率fsw=1000khz。現計算其電感器l1及co1(圖5中co1、2是co1與co2并聯，co2是0.1μf、16v的多層陶瓷電容器)。

(1)△iout的估算

因開關頻率較高，輸出電流iout(max)較大，采用20%的系數，則有：

△iout=20%iout(max)=0.2×1.6a=3.2a

(2)電感器l1的計算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×fsw×vin )
=(3.3v-1.2v)×1.2v/(3.2a×1000khz×3.3v)
=0.24μh

l1取0.22μh標準值，即lact= 0.22μh

(3)紋波電流的復算

△iout=(vin-vout)vout/(fsw×lact×vin )
=(3.3v-1.2v)×1.2v/(1000khz×0.22μh×3.3v)
=3.4a

(4)選合適的poscap電容器

按poscap樣本選額定電壓6.3v的6tpd470m，其電容量為470μf，esr為10mω(max)，△iout(allow)為4400ma，滿足選擇電容量的兩個條件。

(5)輸出紋波電壓的計算

△vout=△iout×esr
=3.4a×10mω=34mv

由lm2745組成的dc/dc轉換器評估板如圖6所示。圖中圓圈中的電容器即6tpd470m。
如果在圖5的電路上改變使用條件：vin=5v、vout=2.5v、vcc=5v、iout(max)=2a、fsw=300khz，則電感l1及輸出電容co1作如何改動，計算如下。

(1)△iout的估算

△iout=0.4 iout(max)=0.4×2a=0.8a

(2)l1的計算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×fsw×vin )
=(5v-2.5v)×2.5v/(0.8a×300khz×5v)
=5.2μh

l1取標準電感值6.8μh，即lact=6.8μh

(3)△iout的計算

△iout=(vin-vout)vout/(fsw×lact×vin )
=(5v-2.5v)×2.5v/(300khz×6.8μh×5v)
=0.61a

(4)選poscap電容器

選型號為10tpc68m，其額定電壓為10v、電容量為68μf，esr為45mω，△iout(allow)為1.7a。符合選擇電容器的兩個條件。

(5)△vout的計算

△vout=△iout×esr
=0.61a×45 mω=27.4mv

計算的結果是，l1=6.8μh，co1取10tpc68m，輸出紋波電壓△vout =27.4mv。