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通過降低電源對電容的要求來解決MLCC短缺問題

發(fā)布時(shí)間:2020-03-01 來源:Atsuhiko Furukawa,現(xiàn)場應(yīng)用工程師 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在全球范圍內(nèi),多層陶瓷電容(MLCC)供不應(yīng)求。很大部分原因是因?yàn)槭謾C(jī)的電子復(fù)雜性提高、電動(dòng)汽車的銷售量增加,以及全球各行各業(yè)電子內(nèi)容的擴(kuò)展。相比幾年前,一些智能手機(jī)的MLCC用量翻了一番;相比使用典型的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的汽車,電動(dòng)汽車的MLCC用量增加至少4倍(圖1)。MLCC從2016年底開始缺貨,這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品(幾十µF或更高)變得尤其困難,而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運(yùn)行。制造工廠想要降低MLCC要求不可避免地想要從電源的電容要求著手,尤其是開關(guān)穩(wěn)壓器的電容。因此,電源設(shè)計(jì)人員成為解決電容短缺問題的關(guān)鍵。
 
http://jizeke.com/art/artinfo/id/80037734
圖1.全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車(a)和手機(jī)(b)對MLCC的用量增加,但生產(chǎn)量沒有相應(yīng)增加,導(dǎo)致MLCC缺貨。1
 
電源電路使用電容——大量電容
 
典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容(參見圖2):
 
● 輸出電容:在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間,平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
● 輸入電容:除了穩(wěn)定輸入電壓之外,它還被用于輸入電流的即時(shí)供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。
● 旁路電容:吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
● 補(bǔ)償電容:保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補(bǔ)償電容。
 
降低電容的最好方法是想辦法最小化輸出電容的數(shù)量。本文接下來將介紹減少輸入電容的策略方法,然后介紹降低旁路電容要求,以及,在一定程度上,減少輸入電容的解決方案。
 
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圖2.典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容。
 
增加開關(guān)頻率,以降低輸出電容
 
圖3a顯示的是典型的電流模式降壓變換器的框圖,下部電路區(qū)域表示反饋回路和補(bǔ)償電路。
 
反饋回路的特性如圖3b所示?;芈吩鲆鏋? dB(增益=1)時(shí)的頻率被稱為交越頻率(fC)。交越頻率越高,穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)性能越出色。例如,圖4顯示的是支持負(fù)載電流從1A快速增加到5A的穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。所示結(jié)果對應(yīng)的交越頻率為20 kHz和50 kHz,分別導(dǎo)致60 mV和32 mV壓降。
 
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圖3.典型降壓穩(wěn)壓器(a)的框圖和典型的反饋特性(b)。
 
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圖4.比較采用兩種交越頻率時(shí),降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。
 
從表面上看,提高交越頻率似乎是個(gè)簡單方法:可以通過最小化輸出壓降來改善負(fù)載階躍響應(yīng),從而減少輸出電容數(shù)量。但是,提高交越頻率會導(dǎo)致兩個(gè)問題。第一,需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量,以防止振蕩。一般來說,采用該交越頻率時(shí),需要45°或更高(最好是60°或以上)的相位裕量。
 
第二,需要注意開關(guān)頻率(fSW)和fc之間的關(guān)系。如果它們的幅度相當(dāng),負(fù)反饋會響應(yīng)輸出電壓波紋,從而影響到穩(wěn)定運(yùn)行。作為一項(xiàng)指導(dǎo),可以將交越頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5(或更低),如圖5所示。
 
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圖5.如果開關(guān)頻率和控制回路交越頻率太過接近,負(fù)反饋可能響應(yīng)輸出電壓波紋。最好是讓交越頻率低于開關(guān)頻率1/5。
 
要增加交越頻率,需要同時(shí)增加開關(guān)頻率,但是,這會導(dǎo)致頂部和底部FET的開關(guān)損耗增加,會降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實(shí)現(xiàn)的節(jié)省會因?yàn)樵黾由嵩淼膹?fù)雜性抵消:比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間。
 
是否能夠在高頻率下保持高效率?答案是肯定的。使用ADI公司提供的Power by Linear™穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果,這些穩(wěn)壓器IC采用獨(dú)特的FET控制功能,在更高開關(guān)頻率下也能保持高效率(圖6)。
 
例如,LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時(shí)(12V輸入和5V輸出),在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)(0.5 A至6 A)能保持高于90%的效率。
 
這個(gè)穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋(ΔIL)來降低電容要求,從而降低輸出波紋電壓(ΔVOUT),如圖7所示。或者,使用更小的電感。
 
開關(guān)頻率更高時(shí),可以增加交越頻率,以改善負(fù)載階躍響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整,如圖8所示。
 
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圖6.Power by Linear穩(wěn)壓器與競爭產(chǎn)品。對于典型的穩(wěn)壓器,開關(guān)頻率增高時(shí),效率會下降。ADI的Power by Linear穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率,因而支持使用值更小的輸出電容。
 
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圖7.通過增加開關(guān)頻率來減小電容和電感的尺寸。
 
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圖8.增加開關(guān)頻率可以改善負(fù)載階躍響應(yīng)。
 
Silent Switcher穩(wěn)壓器可以大幅降低旁路電容
 
如果減少旁路電容的數(shù)量,會如何?旁路電容主要被用于吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開關(guān)噪聲,就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個(gè)特別簡單的方法可以實(shí)現(xiàn)這種效果,即使用Silent Switcher®穩(wěn)壓器。
 
Silent Switcher穩(wěn)壓器如何降低開關(guān)噪聲?開關(guān)穩(wěn)壓器具有兩個(gè)電流回路:頂部FET開啟,底部FET關(guān)閉(紅色回路);頂部FET關(guān)閉,底部FET開啟(藍(lán)色回路),如圖9所示。熱回路傳輸完全開關(guān)的交流電流,也就是說,從0切換到IPEAK,然后回到0。它具備最高的交流和EMI能源,會產(chǎn)生最強(qiáng)變化的磁場。
 
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圖9.開關(guān)穩(wěn)壓器中的熱回路會因?yàn)楸旧懋a(chǎn)生的交變磁場而導(dǎo)致大量輻射噪聲。
 
可以使用壓擺率控制來降低柵級信號變化的頻率(降低di/dt),以便抑制開關(guān)噪聲。這種方法雖然能夠抑制噪聲,但會增加開關(guān)損耗,導(dǎo)致產(chǎn)生更多熱量,在之前所述的高開關(guān)頻率下尤其如此。壓擺率控制在某些條件下是有效的,ADI公司也提供包含這種控制的解決方案。
 
Silent Switcher穩(wěn)壓器可以抑制熱回路中產(chǎn)生的電磁噪聲,但不是使用壓擺率控制。而是將VIN引腳一分為二,令熱回路可以分成兩個(gè)對稱的熱回路。產(chǎn)生的磁場被限制在靠近IC的區(qū)域,其他位置大幅降低,從而最大限度地降低輻射開關(guān)噪聲(圖10)。
 
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圖10.獲得專利的Silent Switcher技術(shù)。
 
LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代,即Silent Switcher 2(圖11),IC內(nèi)部集成高頻輸入電容。這可以確保最大限度地抑制噪聲,因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置。毫無疑問,這也會降低對MLCC的要求。另一項(xiàng)功能——展頻,會通過動(dòng)態(tài)改變開關(guān)頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能,因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標(biāo)準(zhǔn)(圖12)。
 
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圖11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容,由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。
 
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圖12.在Silent Switcher 2器件(例如LT8640S)中采用這些降噪功能使得產(chǎn)品能夠輕松滿足CISPR 25 5級峰值限值標(biāo)準(zhǔn),甚至降低輸入和旁路電容。
 
結(jié)論
 
ADI公司提供的Power by Linear器件有助于降低MLCC要求,從而幫助設(shè)計(jì)人員解決MLCC短缺問題??梢酝ㄟ^使用高頻率操作來降低輸出電容要求,同時(shí)保持出色的高效率。采用Silent Switcher架構(gòu)的器件可以大幅抑制EMI噪聲,從而降低旁路電容要求。Silent Switcher 2器件進(jìn)一步降低了對MLCC的需求。
 
參考資料
 
1 Robin Blackwell。“投資演示,2018年2月。”KEMET,2018年2月。
 
LT8640S數(shù)據(jù)手冊。ADI公司,2017年6月。
 
Seago, John。“OPTI-LOOP架構(gòu)降低了輸出電容,改善了瞬態(tài)響應(yīng)。”ADI公司,2007年8月。
 
Zhang, Henry J. “開關(guān)模式電源的模型和回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。”ADI公司,2016年2月。
 
作者簡介
 
Atsuhiko Furukawa于2006年加入凌力爾特(現(xiàn)在已成為ADI公司的一部分)。10多年以來,他一直為中小型客戶提供多種應(yīng)用技術(shù)支持。2017年,他被調(diào)到汽車部門,現(xiàn)在主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)大型(幾kW)和小型安全汽車應(yīng)用。Atsuhiko是一名馬拉松長跑健將,取得的最好成績是3小時(shí)3分鐘。聯(lián)系方式:atsuhiko.furukawa@analog.com。
 
 
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