各因素对电容器特性的影响

《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法》分为上、下两篇，将解释如何选择同步整流器型降压转换器电路所需的输入/输出电容器，同时通过仿真确认电容器特性的影响。

本文为下篇，主要通过多个仿真，为大家介绍各因素对电容器特性的影响。关于电容器的作用、特性，以及如何选择合适的电容器，可参阅《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法 (上)》。

ESR 对实际电源电路的影响

接下来让我们先通过仿真来了解 ESR 对实际电源电路的影响。首先，检查 ESR 对输入电容器 C6 的影响，下图为仿真电路图，比较电容为 10μF、ESR 为 1.5mΩ 和 15mΩ 的情况。从仿真结果中可以看出，当  ESR 为 1.5mΩ 时，电压波动范围较小。

接下来观察输出电容器。输出电容器 C4 的电容为 47μF，ESR 为 1.0mΩ 和 10mΩ，仿真电路如下所示。从仿真结果可以看出，当 ESR 为 1.0mΩ 时，电压波动范围较小。

要点

MLCC 基本上选择低 ESR。

ESR 值可以从每个制造商网页上发布的 ESR 值或频率特性来确认。

等效串联电感器：ESL

如前文所述，电容器的等效电路是 R、L 和 C 组成的串联电路，因此谐振频率 f0 可通过以下公式求得： 

其中，C 是电容，L 是 ESL。由于谐振频率可以通过查看频率特性来确定，因此可以从该方程式反向计算 ESL。

以下通过仿真来了解 ESL 如何影响实际的电源电路。首先，检查 ESL 对输入电容 C6 的影响。比较 0.1nH 和 1.0nH 的 10μF 电容，从仿真结果可以明显看出，电压波动范围 (纹波等) 在 0.1nH 时更小。

接下来观察输出电容器的变化。将 1.0nH 至 10nH 与 47μF 的输出电容电容进行比较，仿真电路如下图所示。从仿真结果可以看出，当 ESL 为 1.0nH 时，电压波动范围较小。

现在来比较一下 ESL 对输入和输出电容的影响。当电流流经电路中的电感器时，会产生电压变化，用 L (di/dt) 表示。电流变化 (di/dt) 越大，电压波动越大。为了将电压波动降至最低，必须尽可能减少电路中的电感元件 (电容器的 ESL 和布线的寄生电感)。为此，使用了低 ESL 电容器，尽可能缩短了电容器的安装模式，并尽可能减少布线中的寄生电感器。流经输入侧的电流 Iin (=I (L2) + I (R5)) 是脉冲电流，如下图所示：

另一方面，电源 IC 的 SW 引脚的输出是 PWM 波形，PWM 波形由电感器和电容器平滑处理，此时，流经 L1 的电流 IL 变为三角波，如下图。虽然与流经输入侧的电流相比，电流变化很小，但输出电容器即使流过这样的三角波电流，也必须以尽可能小的波动向负载供电。

下面比较输入侧和输出侧的电流波形，输入侧的电流变化呈脉冲状，而输出侧的电流变化呈三角波形。由于输入侧电流值的变化率 (单位时间内的电流量变化量) 比输出侧大得多，因此可以看出寄生电感对 ESL 和电容器安装模式的影响在输入侧比在输出侧更大。

要点

MLCC 基于低 ESL。

ESL 值可以从每个制造商网页上列出的频率响应中确认。

ESL 值对输入端有很大影响。

瞬态响应

接下来观察输出电容器在负载突然变化时的作用。输出电容器还起到抑制负载突然波动时发生的电压波动的作用，设置 C4 的电容为 4.7μF / 47μF / 100μF。在 3 种类型中，检查载荷突然变化时仿真中的瞬态响应。负载是电流源的负载，负载电流急剧流动，仿真电路如下：

负载波动：1A 电流陡然上升，流动 100µs 后陡然下降

负载变化为 1A，上升和下降时间设置为 0，变化陡峭，承载负载电流的时间为 100μs。在仿真结果图中，负载电流以绿色显示。从这个结果可以看出，电容越大，电压波动越小，但波动需要更长的时间才能消退。

负载波动：增加 1A 电流，流过 100μs，然后慢慢降低

在 C4 电容的相同条件下，对负载电流以 100µs 的速度上升和 100us 的速度下降进行了仿真，负载电流流动时间也是 100μs。同样，电容越高，电压波动越慢。

要点

为了在负载波动较大时抑制电压波动，请选择较大的静电容量。

输入电容器的位置

从电容器到 IC 的布线也会影响电压波动，因此电容器应靠近电源 IC 配置。在上篇图 6 中，考虑到从电容器到 IC 的布线的影响，在电容器 C6 上串联了一个电阻器 (R5 = 0.001Ω) 和一个电感器 (L3 = 0.01nH)，因此可以尝试分别改变电阻器和电感器的部分，并检查电压波动的影响。

电阻的影响

如果将 R5 的值更改为 0.001Ω、0.01Ω 和 0.1Ω，并进行仿真，仿真结果如下图所示。0.001Ω 和 0.01Ω 之间没有明显差异，但 0.1Ω 时电压明显波动。

电感器的影响

将 L3 值更改为 0.01nH 和 0.1nH 并运行仿真，与 0.01nH 相比，可以看出电压在 0.1nH 处波动更为明显。

要点

对于输入电容器，将其放置在电源 IC 附近很重要。

总结

本文通过多个仿真，为大家介绍了各因素对电容器特性的影响。