電源設計小貼士51:了解寄生電容器

電源紋波和瞬態規格會決定所需電容器的大小，同時也會限制電容器的寄生組成設置。圖 1 顯示一個電容器的基本寄生組成，其由等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）組成，並且以曲線圖呈現出三種電容器（陶瓷電容器、鋁質電解電容器和鋁聚合物電容器）的阻抗與頻率之間的關係。表1顯示了用於生成這些曲線的各個值。這些值為低壓（1V – 2.5V）、中等強度電流（5A）同步降壓電源的典型值。

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表1：三種電容器比較情況，各有優點。

低頻下，所有三種電容器均未表現出寄生分量，因為阻抗明顯只與電容相關。但是，鋁電解電容器阻抗停止減小，並在相對低頻時開始表現出電阻特性。這種電阻特性不斷增加，直到達到某個相對高頻為止（電容器出現電感）。鋁聚合物電容器為與理想狀況不符的另一種電容器。有趣的是，它擁有低ESR，並且ESL很明顯。陶瓷電容器也有低ESR，但由於其外殼尺寸更小，它的ESL小於鋁聚合物和鋁電解電容器。

圖 1 寄生對陶瓷、鋁和鋁聚合物電容器阻抗的改變不同

圖 2 顯示運作在500kHz下的連續同步調節器模擬的電源輸出電容器波形。它使用圖 1 所示三種電容器的主要阻抗：陶瓷電容；鋁ESR；鋁聚合物ESL。

紅色線條為鋁電解電容器，其由ESR主導。因此，紋波電壓與電感紋波電流直接相關。藍色線條代表陶瓷電容器的紋波電壓，其擁有小ESL和ESR。這種情況的紋波電壓為輸出電感紋波電流的組成部分。由於紋波電流為線性，因此這導致一系列時間平方部分，並且外形看似正弦曲線。

最後，綠色線條代表紋波電壓，其電容器阻抗由其ESL主導，例如：鋁聚合物電容器等。在這種情況下，輸出濾波器電感和ESL形成一個分壓器。這些波形的相對相位與我們預計的一樣。ESL主導時，紋波電壓引導輸出濾波器電感電流。ESR主導時，紋波與電流同相，而電容主導時，其延遲。現實情況下，輸出紋波電壓並非僅包含來自這些元件中之一的電壓。相反，它是所有三個元件電壓之和。因此，在紋波電壓波形中都能看到其某些部分。

圖 2 電容器及其寄生要素在連續同步降壓調節器中形成不同的紋波電壓

圖 3 顯示了一個深度連續反激或者降壓調節器的波形，其輸出電容器電流可以為正和負，而具體狀態會不斷快速變化。紅色線條清楚表明了這種情況，其電壓由這種電流乘以ESR得出，結果則為一種方波。電容器元件的電壓為方波的組成部分。它導致線性充電和放電，如藍色三角波形所示。最後，僅當電流在過渡期間變化時，電容器ESL的電壓才明顯。這種電壓會非常高，取決於輸出電流升時間。請注意，在這種情況下，綠色線條需除以10（假設25 nS電流過渡）。這些大電感尖峰就是在反激或降壓電源中經常出現雙級濾波器的眾多原因之一。

圖 3 波形隨連續反激或者降壓輸出電流而變化

總之，輸出電容器的阻抗有助於提高紋波和瞬態性能。隨著電源頻率升高，寄生問題的影響更大、更不應忽視。在20kHz附近，鋁電解電容器的ESR大到足以主導電容阻抗。在100kHz時，一些鋁聚合物電容表現出電感。電源進入兆赫茲開關頻率時，請注意所有三種電容器的ESL。

下次，我們將討論一種低功耗、離線式反激轉換器，敬請期待。