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方案 | 用大容量MLCC代替聚合物电容器，有哪些优点？
在服务器和基站设备中的CPU和存储器的电源需要处理大电流因而需要使用大容量电容器，尤其是聚合物电容器用作DC-DC转换器的平滑电容器。另一方面，电子设备对多功能化、轻薄、体积小及节省能源的要求越来越高，因此，对陶瓷电容器的小型大容量化、低ESR化、高可靠性等方面寄予了更高的期待。通过将电解电容器互换成独石陶瓷电容器，可大幅改良特性，并实现低高度化。
近来，MLCC在增加容量方面取得了进展，现在，村田可以提供超过100uF的MLCC，例如220uF或330uF。在这里，我们将展示一个用大容量MLCC代替聚合物电容的例子，这些MLCC有助于缩小尺寸、提高可靠性和减少噪音。本内容以DC-DC转换器测试板为例，介绍了将输出电容器从聚合物电容器替换为大容量MLCC的好处。
01
MLCC替换聚合物电容的优点
用MLCC来替换聚合物电容器，有如下三个主要优势。
首先，纹波和尖峰噪声显著降低（图1）。与聚合物电容器相比，MLCC具有更低的ESR和ESL，大大降低了输出噪声。
（a）阻抗，ESR与频率的关系。图中的Polymer Ta是聚合物钽电容器，SWF指开关频率。
（b）S21曲线：可以看出S21低于聚合物电容器，纹波和尖峰噪声可以进一步降低。
图1 阻抗曲线和插入损耗
其次，MLCC来替换聚合物电容器，可以提高可靠性高，产品的使用寿命更长（图2）。这是由于MLCC的ESR较小，因此纹波电流产生的热量很小，比聚合物电容器寿命更长。
a）聚合物电容器 / 1411 size / 100uF
（b）MLCC / 1206 size / 100uF。可以看出，MLCC的温升斜率比聚合物电容器的温升斜率更小，因此，使用寿命长，可靠性高。
图2 温度拉米曲线
第三，MLCC来替换聚合物电容器，有助于缩小设备尺寸。因为，MLCC的尺寸比聚合物电容器小，因此使得设备可以做得更小。
02
DC-DC转换器的替换评估
更换并评估电路的如下。作为替代品进行评估的DC-DC转换器测试板的电路如图3所示，输出侧的聚合物电容C1和C2将被替换。该DC-DC转换器规格如下：
C1，C2 : 聚合物钽电容器 330uF/4V/2917尺寸
开关频率 : 400kHz
输入电压 : 14V，输出电压 : 1.5V
输出电流 : 30A
（a）DC-DC转换器电路
b）DC-DC转换器测试板
图3 更换并评估电路
将输出电容器从聚合物电容器替换为MLCC，如下所示。更换时，相位补偿电路常数也会根据电源特性进行调整（图4）。
图4 相位补偿电路的调整.
由于高频范围的阻抗低，因此可以降低容值。同时，占用面积可减少83%！
03
评估项目及结果
为了评估项目及用MLCC来替换聚合物电容器之后改进的结果，我们测量和比较了以下四个参数：
纹波和尖峰噪声
负载瞬态
稳定性
电源转换效率
Ripple and Spike noise
图5 纹波 / 尖峰噪声
从上图可以看出，纹波减少了24%，尖峰噪声降低了16%！
Load transient
（a）负载瞬态改变
（b）负载瞬态说明
图6 负载瞬态结果和负载瞬态概念说明
结果显示：负载瞬态等于或小于其初始状态（图6）。
负载瞬态是观察负载电流变化引起的电压波动幅度。在电流突然增加的情况下，DC-DC转换器无法瞬时响应。同时，会产生不足的电荷“⊿Q”。此时，输出电容暂时放电电荷以赶上电流的增加。当输出电压因放电而瞬时下降时，观察到电压降“⊿V”。
⊿V＝⊿Q/C
如果负载电流突然减小，输出电压将反向瞬间上升。
Stability
（a）稳定性结果
（b）DCDC converter circuit
（c）Gain/Phase vs. frequency（Bode diagram）
图7 稳定性的结果和说明
在电源电路等反馈电路中，通过观察反馈电路的增益和相位特性（图7b中的蓝色虚线）来检查稳定性。改变输出电容会改变增益和相位特性。此时，如果相位延迟而增益变大，则电源电路将根据条件振荡。如果更换导致不稳定情况，请调整相位补偿电路常数以确保稳定性。评估指标包括相位裕度、增益裕度和交叉频率（图7c）。
从图7a的结果可以看出，用MLCC来替换聚合物电容器，相位裕度、增益裕度、交叉频率均满足稳定性标准值！
Phase margin (deg) | 60.8 | 51.9 | ≥45 |
Cross over freq. (kHz) | 53.1 | 72.4 | ≤80 |
表一 稳定性的测试参数的标准和结果对比（注：SWF/5=400kHz/5）
Efficiency
图8 更换前后的效率对比
图8显示更换前后的转换效率保持等效。
总 结
我们介绍了一个在DC-DC转换器测试板中使用具有低ESR和低ESL特性的MLCC替换聚合物电容器来作为输出电容的案例研究。通过用MLCC代替聚合物电容器，我们能够降低纹波和尖峰噪声。
此外，负载瞬态和效率特性相当，并且符合稳定性标准；所占面积减少了83%；还提高了电容器的可靠性。对于DC-DC转换器中的大容量电容器，我们建议使用具有小型、可靠性高、噪声遏制效果好的MLCC产品（单击下图搜索村田超过100uF的产品）。
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