POSCAP在DC/DC转换器中的应用

摘要

本文首先简单地介绍三洋公司的poscap(一种以高分子聚合物为固态电解质的钽或铝电解电容器)。其主要特点是尺寸小而电容量大、esr低及允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式dc/dc转换器中作输出电容器。

dc/dc转换器生产厂家给出参数齐全的典型应用电路图，如果使用条件(如输入电压、输出电压、输出电流或开关频率)有所改变，则典型应用电路中的有关元器件的参数要做相应的改变，这种情况是经常会碰到的。

本文介绍在使用条件改变后，可通过简单计算，确定使用条件改变后的电感器和输出电容器的值，并介绍如何选择合适的poscap。

poscap的结构

“poscap”是“聚合物有机半导体固态电解电容器”的英文缩写。大部分poscap的阳极是烧结钽，仅少部分的阳极为铝箔，其介质分别为氧化钽(ta2o5)及氧化铝(al2o3)，而电解质(阴极)都是固态的、导电性能良好的高分子聚合物。由于采用了导电性能好的固态高分子聚合物作电解质，使它们具有尺寸小而电容量大、极低的esr(等效串联电阻)及很大的允许纹波电流的特点。poscap是小尺寸贴片式封装的，其内部结构如图1及图2所示。

图1 tpb、tpc、tpe、tqc、tath系列poscap电容的结构



图2 ap系列poscap电容的结构

poscap的特点及特性

poscap的主要特点：有适合不同要求的系列(如表4所示)；最小的封装尺寸为0805；esr低及允许纹波电流大，如型号为2r5tpd680m5的poscap，其额定电压为2.5v、电容量为680μf，最大的esr仅为5mω，允许最大的纹波电流为6100ma；额定电压范围2.5～25v；电容量范围5.6～1000μf；允差为±20%(m极）；损耗因数在8%～15%范围内；漏电流≤0.1cv；有极好的吸收噪声的特性；有极好的频率特性(在10khz～10mhz范围内）；有较好的温度特性；能承受20a瞬态冲击电流；寿命长，在105℃时可达2000小时；工作温度范围-55～+105℃(有一些品种的最高温度为+85℃，th系列可工作在125℃的环境温度，见表4）；出现故障时不会爆炸、燃烧，比一般的钽电解电容器安全；无铅封装。

典型的poscap的esr与阻抗的频率特性如图3所示，蓝色的是2r5tpd 470m5(2.5v/470μf)、紫色的是2r5tpd680m5(2.5v/680μf）；实线是阻抗的频率特性，虚线是esr的频率特性。从图3中可看出：在10～1000khz范围内，esr特性十分平坦(即esr变化不大)，并且其esr值小于5mω。

图3 poscap电容的阻抗与频率特性曲线

典型的poscap的esr温度特性及电容量与温度的特性如表1所示。

表1

允许的纹波电流值与频率及温度有关，工作在不同频率范围及温度范围时，要乘以频率补偿系数及温度补偿系数，如表2及表3所示。

表2 频率补偿系数

表3 温度补偿系数(t为环境温度)

poscap各系列主要参数如表4所示。

表4(注：*有部分品种环境温度到+85℃；**最高环境温度达+125℃；***全部品种环境温度到+85℃。)

poscapd在dc/dc转换器中的应用

近年来，电子产品的工作电压不断降低，从5v降到3v，甚至降到1.0v以下，相反的是输出电流在增加，为此开发出很多高效率、低电压、大电流降压式dc/dc转换器，以满足市场的需求。

这些dc/dc转换器电路的工作温度范围为-40～+85℃，开关频率主要在300khz～1.5mhz范围内，输入电压几v到几十v；输出电压一般从0.6～3.3v，输出电流从几a到几十a，甚至上百a。

典型的同步整流降压式dc/dc转换器的输入及输出部分电路简图如图4所示。它是由dc/dc控制器、开关管q1、同步整流管q2、驱动高端功率mosfet(q1)的自举式升压电路(由cboost及d1组成)、电流检测电阻rcs、决定输出电压的r1、r2，电感器l1、输入电容器cin及输出电容器cout组成。

图4 同步整流降压式dc/dc转换器的输入及输出部分电路简图

生产dc/dc转换器的公司在数据资料中给出参数齐全的典型应用电路，用户可按电路图组成完整的电源。不少dc/dc转换器生产商为了帮助用户开发新产品，还专门提供评估板，可加速开发的周期。如果用户的使用条件(如开关频率、输入电压、输出电压、输出电流)与典型应用电路有差别，则电路中的有关元器件的参数也要做相应的改变，这是经常会碰到的。

本文介绍在使用条件改变时，如何确定电感器l1值及输出电容cout值的简单计算方法，并举一些实例说明其应用。

简单的计算公式

使用条件改变后，原典型应用电路中的电感器l1及输出电容器cout的值可能要改变，可根据新的使用条件进行计算。计算前要已知的条件是，输入电压v_in、输出电压v_out、最大输出电流i_out(max)及开关频率f_sw。计算公式及步骤如下：

1、初步估算电路上的纹波电流 △i_out

在初步估算△i_out时，可取i_out(max)的20%～40%，即

(1)　△i_out=(0.2-0.4)i_out(max)

在f_sw高、i_out(max)大时取小值，反之取大值。

2、电感器l1的计算

电感器l1可按下式计算：

(2)　l1=(v_in-v_out)×v_out/(△i_out×f_sw×v_in )

计算后的l1值应按相近的标准系列值选取，如计算出来的l1=2.06μh，可取标准值2.2μh，取实际电感值l_act=2.2μh。所选的电感器l1的饱和电流应大于电感器的峰值电流i_lp-p。

i_lp-p可按i_lp-p=1.2×i_out(max)估算。

3、纹波电流△i_out的复算

可根据l_act来复算纹波电流△i_out

(3)　△i_out=(v_in-v_out)×v_out/(f_sw×l_act×v_in )

4、选择合适的poscap电容器

根据已知的v_out及计算出的△i_out，按poscap样本选择合适的输出电容器cout。要满足两个条件：v_out=(0.8～ 0.9)vrated(vrated为电容器的额定电压）；△i_out(allow)>△i_out(△i_out(allow)是电容器的最大允许纹波电流)。

若所选的单个电容器的△i_out(allow)不能满足大于△i_out的要求，则可用几个同型号的电容器并联，使满足下式：

(4)　△i_out(allow)×n>△i_out

式中n为并联的电容器数。

5、最大的输出纹波电压△i_out计算

在选定电容器后，可知道该型号电容器的最大esr值，则最大输出纹波电压△v_out为：

(5)　△v_out=△i_out×esr/n

如果按式(5)计算出来△v_out不能满足使用上的要求，则需要再选择esr更低的(如低esr系列)或增加n值来解决。

要保证电路的稳定，其输出电容的电容量是不大的，采用电容量大、esr小的电容器的目的是减小输出纹波电压及改善负载瞬态响应。这里采用poscap电容器是充分发挥它的特长，若采用其他电解电容器则往往需要更大的电容量或更多的并联数。近年来，不少dc/dc控制器生产厂家在其典型应用电路及评估板上都采用了poscap。

计算实例

1、lm2745(国家半导体公司)

由lm2745高速同步整流降压式控制器组成的降压式dc/dc转换器电路如图5所示。该电路输入电压v_in=3.3v、vcc=3.3v(vcc是给lm2745内部电路供电的)、输出电压v_out=1.2v、最大输出电流i_out(max)=16a、开关频率f_sw=1000khz。现计算其电感器l1及co1(图5中co1、2是co1与co2并联，co2是0.1μf、16v的多层陶瓷电容器)。

图5 由lm2745组成的降压式dc/dc转换器

(1)△i_out的估算

因开关频率较高，输出电流i_out(max)较大，采用20%的系数，则有：

△i_out=20%i_out(max)=0.2×1.6a=3.2a

(2)电感器l1的计算

l1=(v_in-v_out)v_out/(△i_out×f_sw×v_in )
=(3.3v-1.2v)×1.2v/(3.2a×1000khz×3.3v)
=0.24μh

l1取0.22μh标准值，即l_act= 0.22μh

(3)纹波电流的复算

△i_out=(v_in-v_out)v_out/(f_sw×l_act×v_in )
=(3.3v-1.2v)×1.2v/(1000khz×0.22μh×3.3v)
=3.4a

(4)选合适的poscap电容器

按poscap样本选额定电压6.3v的6tpd470m，其电容量为470μf，esr为10mω(max)，△i_out(allow)为4400ma，满足选择电容量的两个条件。

(5)输出纹波电压的计算

△v_out=△i_out×esr
=3.4a×10mω=34mv

由lm2745组成的dc/dc转换器评估板如图6所示。图中圆圈中的电容器即6tpd470m。
如果在图5的电路上改变使用条件：v_in=5v、v_out=2.5v、vcc=5v、i_out(max)=2a、f_sw=300khz，则电感l1及输出电容co1作如何改动，计算如下。

图6 由lm2745组成的dc/dc转换器评估板

(1)△i_out的估算

△i_out=0.4 i_out(max)=0.4×2a=0.8a

(2)l1的计算

l1=(v_in-v_out)v_out/(△i_out×f_sw×v_in )
=(5v-2.5v)×2.5v/(0.8a×300khz×5v)
=5.2μh

l1取标准电感值6.8μh，即l_act=6.8μh

(3)△i_out的计算

△i_out=(v_in-v_out)v_out/(f_sw×l_act×v_in )
=(5v-2.5v)×2.5v/(300khz×6.8μh×5v)
=0.61a

(4)选poscap电容器

选型号为10tpc68m，其额定电压为10v、电容量为68μf，esr为45mω，△i_out(allow)为1.7a。符合选择电容器的两个条件。

(5)△v_out的计算

△v_out=△i_out×esr
=0.61a×45 mω=27.4mv

计算的结果是，l1=6.8μh，co1取10tpc68m，输出纹波电压△v_out =27.4mv。

2、ucc2891(德州仪器公司)

ucc2891是一种正激式降压型dc/dc控制器，其组成的电路如图7所示。

图7 由ucc2891组成的典型应用电路

使用条件：v_in=36～75v、v_out= 3.25～3.35v(固定电压)、i_out(max)=32a、f_sw=275～325khz。现设定v_in=48v、v_out=3.3v、i_out(max)=30a、f_sw=300khz，确定其电感器l1及cout(图中c19、c20)。计算如下：

(1)△i_out的计算(取系数为20%)

△i_out=0.2×i_out(max)=0.2×30=6.0a

(2)l1的计算

l1=(v_in-v_out)v_out/(△i_out×f_sw×v_in )
=(48v-3.3v)3.3v/(6.0a×300khz×48v)
=1.7μh

取l_act=2μh

(3)△i_out复算

△i_out=(v_in-v_out)v_out/(l_act×f_sw×v_in )
=(48v-3.3v)3.3v/(2μh×300khz×48v)
=5.1a

(4)选择poscap电容器

选择6tpd330m，其esr=10mω，允许纹波电流△i_out(allow)=4.4a(额定电压6.3v、电容量330μf)。取两个6tpd330m并联，△i_out(allow)=2× 4.4a=8.8a，满足电容器的两个条件。

(5)△v_out计算

△v_out=△i_out×esr/n
=5.1a×10mω/2=25.5mv

查ucc2891原文资料，计算结果与原文资料相符。

若使用条件改成v_in=72v，l1、 i_out(max)、f_sw、v_out不变，计算结果： △i_out=5.24a，仍取两个6tpd330m作输出电容。同时也证明了输入电压由48v升到72v时，对△i_out影响不大，可以不改变原有的电容器。

由ucc2891组成的评估板如图8所示。

图8 由ucc2891组成的评估板

3、max8720(美信公司)

max8720是同步整流降压式控制器，由它组成的dc/dc转换器电路如图9所示。输入电压v_in=7～28v、输出电压v_out=0.27～1.85v、输出电流 i_out(max)=15a、开关频率f_sw有4种：200khz、300khz、550khz和1000khz。

图9 由max8720组成的dc/dc转换器电路

现设定使用条件：v_in=12v、v_out=1.2v、i_out(max)=15a、f_sw=300khz，计算l1及cout。计算如下：

在△i_out的估算时，系数取0.3，得4.5a；计算l1得0.8μh，l_act取0.8μh；计算△i_out得4.5a；选择2r5tpe470m9×2(其参数：额定电压为2.5v、电容量为470μf、最大esr为9mω，最大允许纹波电流为3.9a)，可满足电容器的两个要求。

△v_out计算得20.3mv。图9中采用3×2r5tpe470m9，这可能考虑满足不同使用条件及改善负载瞬态响应及减小输出纹波电压。

图9的电路上，cout还并联一个 10μf的多层陶瓷电容器。由max8720组成的评估板如图10所示。

图10 由max8720组成的评估板

4、ltm4600(凌特公司)

ltm4600是一种输出10a的微型dc/dc模块，只要外接cin、cout及一个确定输出电压的电阻，即组成完整的降压式dc/dc转换器。其输入电压范围4.5～20v，输出电压范围0.9～5v，典型应用电路如图11所示。

图11 ltm4600的典型应用电路

现使用条件为v_in=12v、v_out= 2.5v、f_sw=800khz、工作温度-40～+85℃、i_out(max)=10a，确定其输出电容器cout(电感l1已做在模块中了)。其计算如下：

(1)△i_out=0.3 i_out(max)=0.3×10a=3a

(2)l1=(v_in-v_out)v_out/(△i_out×f_sw×v_in )
=(12v-2.5v)×2.5v/(3a×800khz×12v)
=0.82μh，取l_act=0.8μh

(3)△i_out=(v_in-v_out)v_out/(f_sw×l_act×v_in )
=(12v-2.5v)×2.5v/(800khz×0.8μh×12v)
=3.1a

(4)选择型号为4tpe470mcl的电容器，其额定电压为4v、电容量为470μf，esr为12mω，允许纹波电流为3.5a，满足对电容器的两个要求。

(5)△v_out=△i_out×esr
=3.1a×12mω=37.2mv

图11中cout还并联了22μf/6.3v×3的陶瓷电容器(mlcc)。

计算说明

以上的计算举例是根据各厂家的数据资料中的典型应用电路为基础进行计算的，计算结果与数据资料的参数相符或十分接近，说明这种计算有一定的实用价值。另外，以上计算是一种简易计算，没有考虑电容器的允差及温度对esr及电容量的影响。最后需要通过实验来证实或修改(如增加小容量的mlcc)。

使用poscap有一些注意事项，请参看poscap样本。

参考文献

1、国半公司、美信公司、凌特公司、德州仪器公司的有关dc/dc控制器的数据资料

2、三洋2005年poscap电容样本