減少 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓器的 MLCC 數(shù)量方案

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 的市場嚴重短缺，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)計減少了一個電容器。

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，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，ESR 通常是最大的區(qū)分因素，因為它越高，輸出電壓紋波、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，因為它們通常具有最低的 ESR。鋁聚合物電容器與 MLCC 具有幾個共同特征，并且具有足夠低的 ESR，可以在設(shè)計人員中替代 MLCC。

圖 1：各種電容器技術(shù)的 ESR

鋁聚合物電容器的一個缺點是它們比 MLCC 大。使用提供印刷電路板 (PCB) 布局信息的WEBENCH® 電源設(shè)計器工具時，我們可以在圖 2 中看到，如果您用一個鋁聚合物電容器替換TPS568215同步降壓轉(zhuǎn)換器的五個輸出 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)計人員做出太多妥協(xié)的情況下真正取代MLCC？

為了得到一個粗略的想法，我使用了 WEBENCH Power Designer 工具來模擬一些負載瞬態(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 不是一個可行的選擇。

圖 3：在帶有輸出 MLCC 的 TPS568215 的 WEBENCH 電源設(shè)計器工具上運行的負載瞬態(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，我使用TPS568215 評估模塊 (EVM)進行了一些真實的 PCB 測試。該策略首先對 EVM 的初始配置運行一些測試，通過將輸入電壓紋波、輸出電壓紋波、負載瞬態(tài)響應(yīng)、啟動響應(yīng)和關(guān)閉響應(yīng)與數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進行比較來驗證測試設(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)置測試了輸出電壓紋波，圖 4b 中的設(shè)置測試了輸入電壓波紋。

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

測試是在 12V 輸入和 8A 負載下執(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。對于輸入設(shè)置，并聯(lián)使用四個 MLCC 時的總 ESR 為 0.57 mΩ，而使用兩個 MLCC 與一個鋁聚合物電容器并聯(lián)時的總 ESR 為 1.08 mΩ。對于輸出設(shè)置，并聯(lián)使用四個 MLCC 時的總 ESR 為 1.05 mΩ，而使用一個 MLCC 與一個鋁聚合物電容器并聯(lián)時的總 ESR 為 1.57 mΩ。

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

圖 6：具有六個并聯(lián) MLCC 的 TPS518215EVM 的輸入電壓紋波 (a)；一個鋁聚合物電容器與三個 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，您將需要進一步的測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)計要求。每個電容器都有自己的特性，每個設(shè)計都有自己的要求，但是當 MLCC 供不應(yīng)求時，這種替代方案絕對值得牢記。