如何将电解电容器替换为MLCC呢？

在需要高电容的平滑应用和去耦应用中，传统上广泛使用铝电解电容器和钽电解电容器。然而，随着MLCC容量的不断增加，各种电源电路中的电解电容器正在逐渐被MLCC所替代。这个替换趋势是因为MLCC带来了多项优势，例如可实现小型化和低轮廓，有助于减少占用板空间；低ESR（等效串联电阻），能有效减小纹波电压；以及更低的自发热，提高了可靠性。

需要注意的是，尽管低ESR是MLCC的优势之一，但也可能导致异常振荡和反谐振。此外，高介电常数系统（类型2）的MLCC在施加直流电压时电容值可能会发生变化。

这篇指南将为您介绍替换电解电容器为MLCC的优势和需要注意的事项。

替换为MLCC：降压型DC-DC转换器的输出电容器

近年来，随着集成电路（IC）的高度集成化，电源电压逐渐降低。同时，由于IC的多功能化，功耗和所需电流也不断增加。为了应对这一挑战，分布式电源系统的应用日益普及，其中需要部署多个小型DC-DC转换器（POL转换器），这些转换器通常从中间电源母线到IC。

在DC-DC转换器中，需要使用多个电容器，尤其是用于平滑输出电压的电容器需要具备较大容量，传统上使用铝电解电容器和钽电解电容器。然而，电解电容器因其较大的尺寸而难以减少占板空间，同时还会存在由纹波电流引发的自发热等问题。

因此，替换为MLCC是一个明智的选择。与电解电容器相比，MLCC更小巧，更低矮，且具有更低的ESR。

图1展示了电子设备中常见的降压型DC-DC转换器的基本电路。蓝色标记的部分表示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。

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

通过选择您使用的电解电容器的信息，可以确认TDK MLCC的推荐产品。

※不保证产品的符合性。请客户充分确认产品的适用性后使用。

从电解电容器替换为MLCC时的推荐产品(PDF)

根据电源电路的驱动条件，提出适当的电感器（线圈）和叠层陶瓷电容器。可以作为选择更小型产品的标准而使用。