從電源設(shè)計(jì)入手，拒絕被瘋漲的 MLCC 綁架
最近兩年最火的電子元器件不是AI芯片，也不是存儲(chǔ)器，多層陶瓷電容(MLCC)供不應(yīng)求連續(xù)漲價(jià)成為最火的產(chǎn)業(yè)“寵兒”。細(xì)究原因，背后有手機(jī)的電子復(fù)雜性提高，一些智能手機(jī)的MLCC用量翻了一番；相比使用典型的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的汽車，電動(dòng)汽車的MLCC用量增加至少4倍……MLCC從2016年底開始缺貨，這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品（幾十μF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運(yùn)行。如何降低MLCC的依賴？電源作為最大的用戶之一，從電源的電容要求著手是解決電容短缺問題的關(guān)鍵。對此，作為高性能模擬技術(shù)的領(lǐng)先提供商，ADI公司的電源專家曾經(jīng)撰文給出很多經(jīng)驗(yàn)之談，本文總結(jié)其中關(guān)鍵要點(diǎn)。
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電源電路常用電容的作用及類型選擇分析
電源鏈設(shè)計(jì)有多種方式。可以使用降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器以及其他幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的 共同點(diǎn)是需要表現(xiàn)出色的外部有源和無源元件才能使系統(tǒng)以最佳狀態(tài)工作。有源和無源元件的選擇對電源總體性能影響巨大。效率、?產(chǎn)生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都會(huì)在某種程度上依賴于所選的外部元件。在一個(gè)典型電源設(shè)計(jì)中，電阻、電容、電感、二極管和MOSFET的選擇都決定了電源最終的性能表現(xiàn)，而電容是其中的關(guān)鍵的性能“決定者”。
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某些電源IC解決方案可能只需要三個(gè)外部元件， 如 ADP2108降壓調(diào)節(jié)器。因?yàn)樗鼉?nèi)置電源開關(guān)，所以這種開關(guān)穩(wěn)壓器至少需要兩個(gè)電容：一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容。外部元件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電源要求。面對設(shè)計(jì)中的成本、性能和系統(tǒng)可靠性問題，設(shè)計(jì)人員必須知道哪些參數(shù)最為重要，以便選擇合適的電容。
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電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶?瓷電容是三種最常見的類型。像大多數(shù)設(shè)計(jì)決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權(quán)衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點(diǎn)是ESR較高，可達(dá)數(shù)歐 姆。務(wù)必使用開關(guān)型電容，因?yàn)槠銭SR和ESL比通用型要 低。鋁電解電容還依賴于電解質(zhì)，由于電解質(zhì)會(huì)逐漸變 干，因此電容壽命較短。
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鉭電容使用鉭粉末作為電介質(zhì)。與同等鋁電容相比，鉭電?容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在100 m? 范圍內(nèi)，比鋁電容低。鉭電容不使用液態(tài)電 解質(zhì)，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個(gè)原因，鉭電容 在高可靠性應(yīng)用中很受歡迎。鉭電容對浪涌電流敏感，有 時(shí)需要串聯(lián)電阻來限制浪涌電流。務(wù)必不要超過制造商建 議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時(shí)，可能 會(huì)燒毀并冒煙。
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多層陶瓷電容(MLCC)提供極低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。MLCC的最大容值可達(dá)100 F，但隨著容值大于10 F物理尺寸和成本會(huì)增加。請注意MLCC的電壓額定值及其結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)，實(shí)際容值會(huì)隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數(shù)。依據(jù)所選的電介質(zhì)不同這種變化可能非常大。
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壓縮電容“大戶”——輸出電容和旁路電容需求
如前文所述，電源中常用的四個(gè)電容是：輸出電容、輸入電容、旁路電容和補(bǔ)償電容。減少電容使用，ADI的專家給出從從輸出電容和旁路電容入手降低電容用量的思路。
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輸出電容是負(fù)責(zé)在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流，一般使用幾十μF到100 μF的大電容。工程師都明白增加開關(guān)頻率的好處，對于降低電容使用來說也是似乎也是如此。但值得注意的是，開關(guān)頻率與交越頻率的關(guān)系——根據(jù)采樣定理，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定交越頻率必須小于開關(guān)頻率的1/2，ADI工程師的指導(dǎo)意見是可以將交越頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5（或更低）。因此提高開關(guān)頻率（對應(yīng)提高交越頻率）會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題：需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩；如果它們的幅度相當(dāng)，負(fù)反饋會(huì)響應(yīng)輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運(yùn)行。
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要增加交越頻率需要同時(shí)增加開關(guān)頻率，但這會(huì)導(dǎo)致頂部和底部FET的開關(guān)損耗增加，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實(shí)現(xiàn)的節(jié)省會(huì)因?yàn)樵黾由嵩淼膹?fù)雜性抵消（比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間）。
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這需要具有特別的Knowhow的方案解決這個(gè)兩難——能夠在高頻率下保持高效率。其中，ADI公司的穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨(dú)特的FET控制功能，在更高開關(guān)頻率下也能保持高效率。對于典型的穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率增高時(shí)效率會(huì)下降，ADI的穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時(shí)（12V 輸入和5V輸出），在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。這個(gè)穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋?(ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓 (ΔVOUT)。
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旁路電容主要被用于吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個(gè)特別簡單的方法可以實(shí)現(xiàn)這種?效果，即使用Silent Switcher? 穩(wěn)壓器。
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LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，與第一代相比IC內(nèi)部集成高頻輸入電容，這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置，無疑這也會(huì)降低對MLCC的要求。另一項(xiàng)功能——展頻，會(huì)通過動(dòng)態(tài)改變開關(guān)頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標(biāo)準(zhǔn)。
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本文總結(jié)
除了上面總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)之談，還有這些要點(diǎn)值得注意：由于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)，MLCC電容對PCB振動(dòng)敏感，所產(chǎn)生的電壓噪聲可能會(huì)擾亂PLL等敏感模擬電路，在此類敏感應(yīng)用中，不受振動(dòng)影響的鉭電容可能是更好的選擇；很多時(shí)候多個(gè)電容并聯(lián)以獲得較大的電容也許是明智的，利用這種辦法可以獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設(shè)計(jì)要求。此外，值得提醒的是，電源設(shè)計(jì)很多時(shí)候是系統(tǒng)性的工程，你需要考慮的不僅僅是MLCC，還有更多其他關(guān)鍵器件和參數(shù)指標(biāo)需要兼顧，這個(gè)時(shí)候一款給力的設(shè)計(jì)工具或許才是好幫手，比如使用ADI公司的ADIsimPower 等在線設(shè)計(jì)工具會(huì)將這些權(quán)衡因素考慮進(jìn)去，幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)。
?預(yù)計(jì)2019 年全球MLCC 出貨量約4.5 兆顆（資料來源: Paumanok）
?電源電路常用電容的作用及類型選擇分析
電源鏈設(shè)計(jì)有多種方式。可以使用降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器以及其他幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的 共同點(diǎn)是需要表現(xiàn)出色的外部有源和無源元件才能使系統(tǒng)以最佳狀態(tài)工作。有源和無源元件的選擇對電源總體性能影響巨大。效率、?產(chǎn)生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都會(huì)在某種程度上依賴于所選的外部元件。在一個(gè)典型電源設(shè)計(jì)中，電阻、電容、電感、二極管和MOSFET的選擇都決定了電源最終的性能表現(xiàn)，而電容是其中的關(guān)鍵的性能“決定者”。
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某些電源IC解決方案可能只需要三個(gè)外部元件， 如 ADP2108降壓調(diào)節(jié)器。因?yàn)樗鼉?nèi)置電源開關(guān)，所以這種開關(guān)穩(wěn)壓器至少需要兩個(gè)電容：一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容。外部元件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電源要求。面對設(shè)計(jì)中的成本、性能和系統(tǒng)可靠性問題，設(shè)計(jì)人員必須知道哪些參數(shù)最為重要，以便選擇合適的電容。
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典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容：
輸出電容：?在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
輸入電容：?：除了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時(shí)供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。
旁路電容：?吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
補(bǔ)償電容：?保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補(bǔ)償電容。
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輸出電容：?在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
輸入電容：?：除了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時(shí)供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。
旁路電容：?吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
補(bǔ)償電容：?保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補(bǔ)償電容。
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?以同步降壓型?DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3411為例看典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容
?電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶?瓷電容是三種最常見的類型。像大多數(shù)設(shè)計(jì)決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權(quán)衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點(diǎn)是ESR較高，可達(dá)數(shù)歐 姆。務(wù)必使用開關(guān)型電容，因?yàn)槠銭SR和ESL比通用型要 低。鋁電解電容還依賴于電解質(zhì)，由于電解質(zhì)會(huì)逐漸變 干，因此電容壽命較短。
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鉭電容使用鉭粉末作為電介質(zhì)。與同等鋁電容相比，鉭電?容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在100 m? 范圍內(nèi)，比鋁電容低。鉭電容不使用液態(tài)電 解質(zhì)，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個(gè)原因，鉭電容 在高可靠性應(yīng)用中很受歡迎。鉭電容對浪涌電流敏感，有 時(shí)需要串聯(lián)電阻來限制浪涌電流。務(wù)必不要超過制造商建 議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時(shí)，可能 會(huì)燒毀并冒煙。
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多層陶瓷電容(MLCC)提供極低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。MLCC的最大容值可達(dá)100 F，但隨著容值大于10 F物理尺寸和成本會(huì)增加。請注意MLCC的電壓額定值及其結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)，實(shí)際容值會(huì)隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數(shù)。依據(jù)所選的電介質(zhì)不同這種變化可能非常大。
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壓縮電容“大戶”——輸出電容和旁路電容需求
如前文所述，電源中常用的四個(gè)電容是：輸出電容、輸入電容、旁路電容和補(bǔ)償電容。減少電容使用，ADI的專家給出從從輸出電容和旁路電容入手降低電容用量的思路。
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輸出電容是負(fù)責(zé)在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流，一般使用幾十μF到100 μF的大電容。工程師都明白增加開關(guān)頻率的好處，對于降低電容使用來說也是似乎也是如此。但值得注意的是，開關(guān)頻率與交越頻率的關(guān)系——根據(jù)采樣定理，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定交越頻率必須小于開關(guān)頻率的1/2，ADI工程師的指導(dǎo)意見是可以將交越頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5（或更低）。因此提高開關(guān)頻率（對應(yīng)提高交越頻率）會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題：需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩；如果它們的幅度相當(dāng)，負(fù)反饋會(huì)響應(yīng)輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運(yùn)行。
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要增加交越頻率需要同時(shí)增加開關(guān)頻率，但這會(huì)導(dǎo)致頂部和底部FET的開關(guān)損耗增加，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實(shí)現(xiàn)的節(jié)省會(huì)因?yàn)樵黾由嵩淼膹?fù)雜性抵消（比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間）。
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這需要具有特別的Knowhow的方案解決這個(gè)兩難——能夠在高頻率下保持高效率。其中，ADI公司的穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨(dú)特的FET控制功能，在更高開關(guān)頻率下也能保持高效率。對于典型的穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率增高時(shí)效率會(huì)下降，ADI的穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時(shí)（12V 輸入和5V輸出），在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。這個(gè)穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋?(ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓 (ΔVOUT)。
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?通過增加開關(guān)頻率來減小電容和電感的尺寸。
?旁路電容主要被用于吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個(gè)特別簡單的方法可以實(shí)現(xiàn)這種?效果，即使用Silent Switcher? 穩(wěn)壓器。
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LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，與第一代相比IC內(nèi)部集成高頻輸入電容，這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置，無疑這也會(huì)降低對MLCC的要求。另一項(xiàng)功能——展頻，會(huì)通過動(dòng)態(tài)改變開關(guān)頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標(biāo)準(zhǔn)。
?Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容，由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。
?本文總結(jié)
除了上面總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)之談，還有這些要點(diǎn)值得注意：由于電介質(zhì)的壓電效應(yīng)，MLCC電容對PCB振動(dòng)敏感，所產(chǎn)生的電壓噪聲可能會(huì)擾亂PLL等敏感模擬電路，在此類敏感應(yīng)用中，不受振動(dòng)影響的鉭電容可能是更好的選擇；很多時(shí)候多個(gè)電容并聯(lián)以獲得較大的電容也許是明智的，利用這種辦法可以獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設(shè)計(jì)要求。此外，值得提醒的是，電源設(shè)計(jì)很多時(shí)候是系統(tǒng)性的工程，你需要考慮的不僅僅是MLCC，還有更多其他關(guān)鍵器件和參數(shù)指標(biāo)需要兼顧，這個(gè)時(shí)候一款給力的設(shè)計(jì)工具或許才是好幫手，比如使用ADI公司的ADIsimPower 等在線設(shè)計(jì)工具會(huì)將這些權(quán)衡因素考慮進(jìn)去，幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)。