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聚合物电容器在DC/DC变换器中应用
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[) e! B l6 ^电子产品的工作电压正在不断降低，这就要求DC/DC变换器具有低电压、大电流输出。目前在DC/DC变换器中，通常使用钽电解电容器作为滤波电容。采用新型的PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器应用于DC/DC变换器输出端滤波，在滤除纹波方面，很有效地获得优于钽电解电容器的电气指标。 6 _! b: k# t5 D' m9 _, A; l
; l. x+ p V+ u% e1 }) M
PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器，采用高纯度铝箔作为阳极，在铝箔表面生成的三氧化二铝（Al2O3）作为电介质，固态的高导电聚合物作为阴极。PA-Cap具有极低等效串联电阻、稳定的温度频率特性、允许通过大纹波电流、不燃烧不爆炸安全可靠、尺寸小的特点。
7 E. I& t0 N/ `: h
8 {. d4 [5 t# c7 S4 j |/ V2 F/ u7 V纹波电压是输出电压随开关频率的变化量，是电流中交流成分产生的。如果将电容器的特性参数等效为电容量C、等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL的串联，如图1，
8 W( t) g; p& Q* s/ P& e图1 电容器特性参数等效图 + ^+ O) k( ~' R1 h0 ]2 R6 S9 U
' y7 l0 b$ q, t
则滤波电路中输出纹波电压可表示为： / M* A7 u4 z. C0 `- _
Vr=VC+VESR+VESL 8 E4 } z1 y- V( u# |
其中VC是由容抗XC产生的纹波电压，VESR是由等效串联电阻ESR产生的纹波电压，VESL由等效串联电感ESL产生的纹波电压，△I为输出纹波电流。
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& I% S, a- \, D! R. Z: ]+ ]本文通过实验，确定PA-Cap在DC/DC变换器中的应用时，影响DC/DC变换器输出纹波电压的主要参数是电容器的等效串联电阻ESR。在DC/DC变换器中，可以优先选用PA-Cap作为输出电容。
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$ @" G9 U) X8 i实验
: J& ^4 v! @2 o8 j& [根据DC/DC变换器生产商提供的评估板资料和典型应用电路，PA-Cap作为滤波电容在DC/DC变换器CS5211DEMO/D评估板线路中的应用，实验的线路原理图如图2。
" m- v$ r$ ^1 ]9 s8 L! l图2 CS5211DEMO/D实验电路原理图 1 c2 Y: q$ v+ t t0 k
* A* V6 p4 r( R1 R" S
CS5211变换器工作频率fsw为496KHz；输入电压＝5V，输入电流＝1.8A；输出电压＝2.5V，负载电流＝2.4A。
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实验仪器：Agilent 4284A LCR测试仪，TDS1002示波器。
+ [- w) N" u- u- X( J1 o( _) T7 A2 n0 R8 }
实验环境：26℃、50%RH。
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( N, L; Z, G' A' d' I电路中电压输入端C6.7.8接入PA-Cap 6.3V/22μF。在输出端C20.21位置分别接上钽电解电容器：10V/470μF、16V/220μF和PA-Cap聚合物电容器：10V/22μF、4V/82μF作为滤波电容器，用示波器测量电路的输出纹波电压Vr。 $ ^9 Z3 x0 d9 ]% F
4 \% e D9 R9 V4 N0 E; O- k1 m
结果与讨论
+ _4 p" E0 z8 }1）在C20.21位置接不同电容器时，电容器参数与输出纹波电压如表1。 , \! ~" a2 e) l! d: R0 c4 S+ W
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表1 电容器参数及CS5211DEMO/D输出纹波电压 / W% x5 u# h& N' ^& b
n5 j- X# q) z! V( k3 I n7 T电容类型 电容规格 容量(μF)8 X5 i9 s4 @) y+ }) S* V7 L
(100Hz)
& |0 \! X& r2 l( D1 @3 q7 `9 @! ~损耗(%)! E) n8 z. Y) ]
（100Hz）& ^" `' B2 b- p3 n! H u
ESR(mΩ)' O: ?" {1 m; {6 \8 ~: ^: z
(100kHz)
6 J6 `- B4 n4 d6 O2 k6 i Z输出纹波电压! R$ ~1 R- U5 O
Vr (mV). X' ?! W" \9 [0 I9 h `
钽电容 10V/470μF 474.3 3.8 117 36.4 16V/220μF 226.1 3.1 54 13.4 PA-Cap 10V/22μF 23 2.1 24 14.5 4V/82μF 84.4 2.0 28 6.697 s+ ~) |- @& G: O) q, b0 [
2）在C20.21接不同电容器时，输出纹波电压波形如图3所示。
# x" [( t+ @9 x$ q$ C' n: Q |7 w. Q; `
) L9 d! m8 Q; o1 B2 n; A5 s, Q
8 n! ~' l/ p$ \4 K. y$ i
5 F3 A* |2 [( F8 T( T7 }' J(A) C20.21为钽电容10V/470μF的输出波形 (B) C20.21为钽电容16V/220μF的输出波形 ; B/ w* E, X# q: T; r/ J0 ~8 l( n
% X# s' z5 H& \4 z* c1 J
% A) v" Z% \0 B3 \1 I m: N1 U8 ]* [ E0 O
3 G5 v; R7 d, d: s" U- g/ L(C) C20.21为PA-Cap 10V/22μF的输出波形 (D) C20.21为PA-Cap 4V/82μF的输出波形 4 X5 _8 b# b( D2 o' F) M ]
8 G5 Y% l- `& E. j. q图3 C20.21接不同电容器输出纹波电压波形 5 n/ U3 F8 g4 a! _$ x) i6 c
* ` u3 h/ d; j, E; ?
根据输出纹波电压：Vr=VC+VESR+VESL，由于钽电解电容器的块状结构和PA-Cap的片式结构，其等效串联电感ESL均很小，式中的VESL≈0可以忽略，即： Vr≈VESR+VC=(ESR+1/ωC)*△I，所以影响DC/DC变换器输出纹波电压Vr主要由电容器的C和ESR的因素决定。
* M$ ?# m; e0 G" Q3 y& J8 d9 N7 h1 W0 y6 k" K
由于钽电容的阴极材料为MnO2二氧化锰，其电导率较低（λ＝0.1S/cm），而PA-Cap电容器采用导电高分子聚合物作为阴极材料，其电导率达到100S/cm,比钽电容高1000倍，PA-Cap具有快速的电流转换能力和瞬时响应能力,因此小容量就可以达到钽电容大容量的滤波效果。从图3中的（B）和(C)可以看出，两种电容的容量相差10倍而输出纹波电压几乎相同都在14 mV左右。 , {) A$ D. B6 b
3 K$ D4 u) B, u- T7 @( Q
依据Vr≈(ESR+1/ωC)*△I，在电容量和输出纹波电流一定的情况下,电容器的等效串联电阻ESR值越小输出纹波电压Vr也越小。从表1中可以看出，作为滤波电容10V/22μF的PA-Cap电容由于ESR只有24 mΩ比10V/470μF（ESR＝117 mΩ）钽电容输出纹波电压的效果还要好很多，以上实际的测试波形和数据充分证明了ESR等效串联电阻直接影响输出纹波电压的效果。 - R( X/ w8 r: Y
% q3 _3 _+ W) i& m结论
% u2 e' R+ V/ p6 IDC/DC变换器的输出端滤波使用的电容器类型和电容器等效串联电阻ESR值是输出纹波电压的决定因素。PA-Cap聚合物电容器具有快速的电流转换能力和瞬时响应能力、极低等效串联电阻ESR值、允许通过大纹波电流的特点，DC/DC变换器中使用PA-Cap聚合物电容器作为输出滤波电容是一个理想的选择。
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发表于 2020-9-9 14:38
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