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大容量陶瓷电容器在高频整流滤波中的应用
摘要
本文首先分析了电解电容器在高频整流滤波电路中存在的问题，其最主要的原因是由于电解电容器的比较高的ESR，当纹波电流流过这个ESR时将产生比较大的纹波电压，使滤波效果变差；分析了采用电解电容器与小容量陶瓷电容器并联缓解电解电容器高频特性不佳的效果；分析了陶瓷电容器的低ESR特性给高频整流滤波所带来的性能改善。最后给出大容量陶瓷电容器对高频整流滤波的改善效果。
1．电解电容器在应用中的问题
各类电解电容器在电子线路中有着重要的地位。例如在工频整流滤波的应用中，铝电解电容器应该是不可替代的，特别是100V以上的工频整流滤波时。在这种工作状态下需要的是大电容量以尽可能减小工频容抗，以便更好的将工频纹波和由此产生的高次谐波滤除。不仅如此，在工频整流滤波的电容器还起到储能作用，因为在电容输入式滤波时，整流器在每半个电源周期仅导通2~3mS，其余7~8mS负载需要的电能又滤波电容器提供，低压整流往往需要数千甚至数十万μF，220V或380V电源直接整流的高压整流也需要数百甚至数千μF，这也是需要大电容量电容器的原因，这时铝电解电容器的作用将是不可替代的。
随着陶瓷电容器技术的不断革新，大容量、小体积的陶瓷贴片电容器的问世，电解电容器的地位在不断地经受挑战。在高频整流滤波领域，陶瓷电容器将逐渐替代各类电解电容器。其最主要原因是陶瓷电容器在性能上已经全面超过各类电解电容器，在性能价格比上已经开始超过铝电解电容器。
在高频整流滤波应用时，电解电容器最大的问题就是等效串联电阻（ESR）比较高，导致高频整流滤波效果不佳。如100kHz或100kHz以上的开关功率变换时的高频整流滤波时，电容器的容抗就已经很小了。如100μF的电容量在100kHz时的容抗为15.9mΩ，而普通的铝电解电容器100μF/25V的ESR约1~2Ω；低ESR的100μF/25V铝电解电容器的最低的ESR约400mΩ、1000μF的低ESR铝电解电容器的ESR为70 mΩ；100μF的标准钽电解电容器的最低的ESR约250 mΩ，即使是超低ESR钽电解电容器的最低的ESR也约为0.06Ω；铝聚合物电解电容器的最低的ESR也至少在20mΩ以上上述各种电解电容器的ESR都比15.9mΩ高。在这种状态下，对于电解电容器来说，在这样高的频率下与其说是电容器不如说更像一个电阻。
为了改善滤波电路的高频特性。通常将一个100μF的铝电解电容器与一个1μF的陶瓷电容器并联的阻抗特性如图1。左图为常温下的特性曲线，由图为-25℃时特性曲线。图中的粗实线为连个电容器并联后的阻抗频率特性曲线，图中左边的细线为陶瓷电容器的阻抗频率特性曲线，右边的细线为电解电容器的阻抗频率特性曲线。从图中可以看到电容量大的电解电容器在低频段有很低的阻抗，陶瓷电容器可以在电解电容器力不能及的频段由较低的阻抗，二者结合可以在很宽的频段上获得理想的低阻抗。
在图1中还可以看到，在铝电解电容器的谐振频率与陶瓷电容器的谐振频率之间还是存在比较高的阻抗，其主要原因是铝电解电容器的ESR比较高，因此，滤波效果还是不理想，通常要采用很多RC缓冲电路或其他不利于提高开关电源效率和复杂性的措施。
不仅如此，陶瓷电容器的体积非常小，0.1μF~1μF电容量的引线式陶瓷电容器的焊盘间距仅0.2英寸，0805封装的贴片电容器更小，焊接尺寸仅2mm，在印制电路板的排布元件和布线是很容易做的。
在比较低的开关频率时，陶瓷电容器的电容量就显得太小了。这时，如果采用低ESR电解电容器与大电容量陶瓷电容器相并联可以获得在20kHz以上5MHz以下的频带内的低阻抗。这样陶瓷电容器对高频整流滤波效果改善就将是明显的。
在实际上，一个好的大容量的电容器的滤除高频温波的能力是相当好的（ESR可以低于数十毫欧姆，寄生电感也可以低于数纳亨利）。这样，通常说的大电容器滤低频，小电容器滤高频的“说法”将不适用，这种说法只不过在一般应用中习惯用频率特性很差的普通铝电解电容器而造成的一个误解。
随着大容量陶瓷电容器的逐渐普遍应用，如果将一个100μF的陶瓷电容器与一个1μF的陶瓷电容器并联，其效果将会更好。
例如在市场上已经很容易见到的10μF陶瓷电容器的尺寸仅仅为1206（3mm×1.5mm）。其ESR仅为0.003Ω（即3mΩ）明显低于100μF（15.9mΩ）的容抗，这时电容器的作用还是起绝对主导作用。而对于100kHz的方波中的3次、5次7次……等其容抗相应的降低到53 mΩ、32 mΩ、23 mΩ，还是容性特性。
如果选用更大电容量的陶瓷电容器（如10μF、22μF、47μF甚至是100μF、200μF）则完全可以替代钽电解电容器。
在高频大功率电路的旁路电容器将需要旁路较大的由负载造成的“高频交流”负载电流，因此不仅需要旁路电容器具有低的ESR，而且，还需要更低的ESL。在众多的封装中，表面贴装元件的ESL最低，仅几个纳亨利。
2．大容量陶瓷电容器在高频整流滤波中的应用
比较科学的选择高频整流滤波电容器是根据滤波电容器所允许的纹波电流，而纹波电流允许值在绝大多数情况下由其ESR决定（p=i2·rESR），对于相同尺寸的封装在允许的温升相同时，ESR越小允许的纹波电流值越大，如标准钽电解电容器的最小ESR为250 mΩ，而大电容量的陶瓷电容器的ESR一般在10~30 mΩ，这样陶瓷电容器的允许的纹波电流将是标准钽电解电容器的101/2~301/2倍，即3.16~5.47倍。标准钽电解电容器的允许纹波电流为0.66A，则陶瓷电容器允许的纹波电流将可以达到其对应的倍数2.08A和3.6A。
3．测试结果
某国产电容器给出的两个测试结果为：
一DC/DC变换器：5V输入、12V输出、开关频率450kHz、输入电流0.34A、输出电流0.12A。实验电路如图2，在DC/DC变换器的电源输入端分别并联100μF铝电解电容器、33μF钽电解电容器和4.7μF陶瓷电容器。在DC/DC变换器的输入端测试纹波电压与纹波电流，其结果如表1：
这个测试结果表明，大电容量的陶瓷电容器用在高频整流滤波应用中是有效的，在频率在300kHz以上时尤为有效。
大电容量的陶瓷电容器对瞬变负载所造成的电源电压瞬变有很好的抑制作用。测试电路如图3，从电源到负载（即测试点）的导线长度为40Cm，这个长度在电源电路与负载电路之间是常见的，相当于在电源与负载间串入一个至少100nH的电感。这个“串入”的电感将对负载侧的电源电压有何大影响。测试结果如图4。在没有电容器时的测试点的电压纹波峰峰值达2.6VP-P，这个峰峰值电压对数字电路来说将会出现逻辑错误，计算机可能会出现程序错误甚至会死机；接入电容器后，由于负载的瞬变而造成的电源变化会得到有效的抑制。在负载的电源端47μF铝电解电容器后，纹波电压峰峰值为25mVP-P；接入10μF钽电解电容器后，纹波电压峰峰值为25mVP-P；而接入4.7μF陶瓷电容器时的纹波电压降低到约5mV，很明显陶瓷电容器在三种电容器中是最有效的也是电容量最小的。
4．大容量陶瓷电容器的特殊要求
如果大电容量的陶瓷电容器在高频整流滤波与超低ESR的钽电解电容器和聚合物电解电容器（最低的ESR可以达到5mΩ）相比较的话，如果还能具有上述测试结果的话，将具有更广泛应用。为了获得更高电容量和更低的ESR，还可以将数只陶瓷贴片电容器组合到一起，如图5。这样一只22μF的陶瓷贴片电容器的ESR约10mΩ，如三只并联可以获得28μF的电容量，同时ESR可以下降到3.5mΩ以下，远低于单只68μF的10mΩ，同样更多的陶瓷贴片电容器单体组合到一起（无论是已经组合好的产品，还是应用者的后开的组合）都可以既增大了电容量又大大降低了ESR，两个方面都是高频整流滤波所需要的性能。多个并联的陶瓷电容器形式还有另一个好处就是单只大容量陶瓷电容器的封装可能很大，在焊接或应用在高低温循环时，会因为陶瓷电容器的热膨胀系数与电路板的板基的热膨胀系数不同而导致陶瓷电容器的断裂，采用多只并联后不仅可以使电容器的尺寸减小，而且引脚还可以缓冲由于热循环所导致的热应力对陶瓷电容器的损伤。
5.结论
一般的IC应用指南上，对于性能要求比较高的地方，旁路电容器多推荐使用钽电解电容器。实际上，相对而言，钽电解电容器在比较高的温度下具有比铝电解电容器更长的寿命。但是钽电解电容器有着几个致命的弱点影响着钽电解电容器的可靠性。首先，钽电解电容器在高温工作条件下必须降低电压额定定使用，甚至在85℃时要将使用电压降低到额定电压标称值的三分之一；其次，钽电解电容器可以承受的纹波电流值有限，在具有比较大的冲击电流或纹波电流时，钽电解电容器的生产厂家的注意事项中经常告诫要将钽电解电容器串联一个适当电阻，以降低流过钽电解电容器的纹波电流。但是在事实上，电容器的作用之一就是要低阻抗，以尽可能的分流纹波电流到电容器上，串联电阻就违背了这个功能的基本要求；第三，相对铝电解电容器、陶瓷电容器和薄膜电容器，钽电解电容器的抗过电压性能最差，而且，一旦被过电压所击穿，将不可恢复，尽管钽电解电容器具有所谓的自愈特性，但是事实上通常在冲击性过电压击穿后由于击穿区域比较大而不能自愈，因此而爆掉。由于钽电解电容器的上述需要注意的事项，钽电解电容器并不像传统冠冕那样在工作温度很高并且纹波电流很大时均推荐使用钽电解电容器，在陶瓷电容器迅速发展的今天，100μF甚至200μF的陶瓷电容器已经不再是不可及的，而且陶瓷电容器的ESR远低于钽电解电容器，同时陶瓷电容器的价格在不断的下降。钽电解电容器将不再是最佳选择。
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