解决指南：将电解电容器替换为MLCC的指南修订

解决指南：将电解电容器替换为MLCC的指南修订

一直以来，铝电解电容器和钽电解电容器都广泛用于需要较大电容的平滑应用和去耦应用。随着今年来MLCC的大容量化，在电源电路中的各种电解电容器正在被MLCC取代。因为替换为MLCC可获得诸多优势，比如可实现小型化和低剖面化，有助于减少占板空间；低ESR（等效串联电阻），可有效降低纹波电压；自发热更少，可提高可靠性。
值得注意的是，低ESR虽然是MLCC的优点之一，但也会也会引起异常振荡和反谐振。而且高介电常数系统（类型2）的MLCC的电容在施加直流电压是会发生变化。
本指南将为您介绍将电解电容器替换为MLCC的优点和注意事项。

替换为MLCC：降压型DC-DC转换器的输出电容器

近年来，随着IC（集成电路）的高度集成化，电源的电压越来越低。此外，由于IC的多功能化，功耗随之增加，所需电流也越来越大。为了应对低电压、大电流化的问题，分布式电源系统的应用日益广泛，其中需要在负载附近部署多个小型DC-DC转换器（POL转换器），比如从中间母线到转换器的IC。
DC-DC转换器中会使用多个电容器。其中特别是用于平滑的输出电容器所需容量较大，传统上多使用铝电解电容器和钽电解电容器。但是，由于电解电容器的尺寸较大，所以很难减少占板空间，另外还存在纹波电流导致的自发热大等缺点。
鉴于此，替换为MLCC是一个明智选择。相较于电解电容器，MLCC具有更小尺寸，更低剖面和更低ESR的优点。
图1为电子设备中常用的降压型DC-DC转换器的基本电路。蓝色标记部分为将电解电容器替换为MLCC的输出电容器。

图1：降压型DC-DC转换器的基本电路

各种电容器的主要特征

下面展示代表性电容器MLCC、钽电解电容器、铝电解电容器的主要特征。

表1：MLCC、钽电解电容器、铝电解电容器的主要特征

	MLCC	钽电解电容器	铝电解电容器的主要特征
优点	・小型/低剖面 ・低ESR可降低纹波电压,减少自发热量 ・无极性	・大容量 ・良好的直流偏置特性	・大容量 ・良好的直流偏置特性 ・价格低
注意事项	・低ESR是优点,但也会引起异常振荡和反谐振 ・高介电常数系统的产品受直流偏置(施加 直流电压)影响,电容会发生变化	・ESR 较高 ・纹波电压和自发热量都较大	・尺寸较大 ・ESR 较高 ・纹波电压、自发热量较大 ・高温对产品寿命的影响较大

MLCC具有可实现小型化和低剖面化，有助于减少占板空间，通过低ESR来降低纹波电压，进而通过自发热更少来提高可靠性等各种优点。
另一方面，作为MLCC的优点低ESR也会引起异常振荡和反谐振。另外，需要注意的是，高介电常数系统（种类2）的MLCC具有当施加直流电压时电容发生变化的特性。

替换为MLCC的优点

优点1：可实现小型化和低剖面化，有助于减少占板空间

通过替换为比铝电解电容器更小、更矮的MLCC，可以节省电路基板的空间。

图2：MLCC与铝电解电容器的尺寸比较

优点2：自发热更少

首先展示47μF的MLCC、铝电解电容器、钽电解电容器、功能性聚合物铝电解电容器的阻抗、ESR频率特性。
MLCC的阻抗和ESR的特性值都很低。

图3：各种电容器(47μF)的阻抗、ESR频率特性

另外，电容器的自发热量(P) 由电容器的ESR和纹波电流 (I) 通过下列公式表示。

自发热量（P） = ESR x 电流:I2　　(式1)

自发热量:由于P与ESR成比例，因此可以看出低ESR的MLCC的自发热量小，ESR比MLCC高的各种电解电容器的自发热量比MLCC大。
另外，电容器的产品寿命会受到温度的影响。一般已知，如果使用温度升高10℃，产品的寿命就会减少1/2，即“10℃2倍定律”。纹波电流导致的自发热量变大会缩短产品的寿命。另外，通常铝电解电容器的产品寿命约为10年。

图4：各种电容器的自发热量

优点3：降低纹波电压

・验证降压型DC-DC转换器的输出电压
用下面的评价系统测量了降压型DC-DC转换器的输出电压。
输出电容器使用了47μF的MLCC、铝电解电容器、钽电解电容器和功能性聚合物铝电解电容器。

图5：用各种电容器（47 μ F）验证降压型DC-DC转换器的输出电压

下表显示了各种电容器的输出电压波形和一般开关频率：300kHz时的ESR。
纹波电压和ESR都显示出了MLCC的最低值。

表2：各种电容器（47μF）的输出电压波形

纹波电压和ESR的关系用下列公式表示。通过此公式可知降低ESR对于降低纹波电压是有效的，低ESR的MLCC是有利的。

另外，功能性聚合物铝电解电容器在电解质中使用导电聚合物来降低ESR，与普通铝电解电容器相比，纹波电压有所降低，但一般尺寸稍大，价格也高。

通过增加铝电解电容器的电容来降低纹波电压是否有效？

我们对铝电解电容器的电容与纹波电压的关系进行了评估。
首先展示MLCC 47μF和普通铝电解电容器47μF、100μF、330μF的阻抗和ESR频率特性。

图6：MLCC 47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的阻抗、ESR频率特性

并且，在与图5相同的评价系统中，在输出电容器中使用MLCC 47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的条件下，测量了降压型DC-DC转换器的输出电压。
结果显示了各种电容器的输出电压波形和一般开关频率(300kHz)下的ESR。根据结果可知随着铝电解电容器的电容的增加纹波电压降低，但降低幅度变小。

图7：MLCC47μF和铝电解电容器47μF、100μF、330μF的输出电压波形

如果用式2来考虑其理由，可理解为虽然电容增加会导致纹波电压降低，但其影响比ESR小。
因此可理解为铝电解电容器的电容增加难以有效地降低纹波电压。

替换为MLCC时的注意事项

关于从电解电容器替换为MLCC时的注意事项，将为您介绍直流偏置（施加直流电压）特性，异常振荡和反谐振。

注意事项1：直流偏置（施加直流电压）特性

高介电常数系统（类型2）的MLCC具有当施加直流电压时电容发生变化的特性，这种特性被称为直流偏置（施加直流电压）特性。
因此，在MLCC上施加直流电压使用时，必须考虑直流偏置特性。

图8：高介电常数MLCC的直流偏置特性示例

注意事项2：异常振荡

作为MLCC的优点的低ESR，也可能会导致DC-DC转换器的输出电压不稳定或异常振荡。
DC-DC转换器将输出电压与基准电压进行比较，用误差放大器放大其误差部分并使其进行负反馈，从而得到相对稳定的直流电压。
此时，平滑电路的电感器和电容器会产生信号的相位延迟。相位延迟接近180°时，会变成正反馈的状态，导致输出电压的不稳定和异常振荡。

图9：直流-直流转换器负反馈电路

・防止异常振荡的相位补偿

波特图是判断负反馈是否稳定工作的方法。波特图的横轴是频率，纵轴是增益和相位。
电感器和电容器引发的相位延迟接近180°时为正反馈，输出趋于不稳定。另一方面，即使相位延迟为180°，通过使增益为1以下（0dB以下），也可以收敛信号，防止异常振荡。
因此，为了减少相位延迟，在误差放大器的周围连接电容器和电阻，通过消除相位延迟进行调整。这称为相位补偿。
在输出电容器使用高ESR的铝电解电容器的现有设计中没有问题，但在低ESR的MLCC中补偿不足，有时会引起异常振荡，因此需要注意。

图10：波特图(增益・相位-频率特性)

图11：相位补偿电路

另请参阅“面向电源电路的MLCC解决方案（输出电容器的最佳结构验证）”。

注意事项3：反谐振

此外，在去耦应用中使用低ESR的MLCC时也需要注意。
通常在大电流、低电压下工作的IC去耦用电容器中，多个电容器并联连接。在去耦应用中，理想情况是使用在宽频带下低阻抗的电容器，但MLCC的阻抗频率特性表现为V形。
多个电容器并联连接，通常作为大电流和低电压下操作的IC的去耦电容器。在去耦应用中，具有宽频带低阻抗的电容器是理想的，但MLCC的阻抗频率特性表现为V形。
V形底部的频率称为自谐振频率（SRF）。SRF不同的MLCC并联连接安装后，MLCC的电容分量和寄生电感分量将形成LC并联谐振电路。这个现象是反谐振。
由于反谐振会产生强烈的阻抗峰值，因此其频率会降低噪声消除效果。其结果是电源电压不稳定，有时会引起电路故障。

图12：在去耦应用中并联有多个电容器

图13:MLCC的并联引起的反谐振

替换为MLCC时的推荐产品

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总结

随着近来MLCC的大容量化，各种电解电容器正在被MLCC取代。
通过替换为MLCC，具有可实现小型化和低剖面化，有助于减少占板空间，通过低ESR来降低纹波电压，进而通过自发热更少来提高可靠性等各种优点。
另一方面，作为MLCC的优点低ESR也会引起异常振荡和反谐振。
另外，需要注意的是，高介电常数系统（种类2）的MLCC具有当施加直流电压时电容发生变化的特性。
TDK拥有丰富的MLCC阵容，支持从各种电解电容器的置换。希望通过选用适合的MLCC，能够助您提升产品的可靠性。

审核编辑：汤梓红