摘要： 文章着重讨论了多种类形的电容器，包括陶瓷介质电容器、钽电容器、铌电容器和铝电解电容器对DC-DC变换器性能的影响。涉及到混合电动汽车和纯电动车辆中的新型电动机使用，燃料电池的双极金属板改进等应用领域。
1 引言
在DC-DC开关变换器设计过程中，选用适合的输出电容器将为变换器性能的优化起到重要作用。按照半导体集成电路电源设计手册的统计，大概有99%的设计问题与可以直接跟踪到的不合理使用了电容器而产生的线性和开关调节有关。为什么输出电容器在开关DC-DC变换器中如此重要呢？这是因为输出电容器（与主电感器一起）是能量流往输出端的一种“容器”，即可贮存和释放能量，而且该输出电容器还可以使输出电压变得平滑。
根据工作温度和直流(dc)偏置电压变化的电容量ESR和稳定性的频率关系曲线，是决定整个电源系统性能和功能的输出电容器的重要参数。对于基准而言，这些关键参数是使用不同的电容器测量技术性能得到的。为了评估不同的电容器技术性能，建立在Maxim's公司的MAX1537模块基础上的笔记本电脑电源变换器评估装置被选用为实际应用的例子。
2 评估电容器的参数
最初，两个电容器组合的电容器和ESR的频率特性是经测量得出的。第一组合包含有不同的电容器，规定在C=220μF时，采用3.3V输出电压的评价装置。第二组合包含的电容器为C=150μF，采用5V输出电压的评价装置。这些电容器的电气参数是用HP4194A阻抗/增益/相位分析仪，在频率范围为120Hz到1MHz以及120Hz到10MHz时测量得到的。
变换器工作时的温度稳定性是大多数生产企业和用户共同关注的问题之一。为此，第二组电容器的测量注重于随温度和电流(dc)偏置电压变化的电容量和ESR的稳定性。3.3V输出电容器组合是采用相同的阻抗分析仪和跨接在直流(dc)偏置电压（其范围为0V~4V）两端的Keithly7002开关系统进行测量的，按照Votsch VC7018实验室炉子提供的条件，可以测量超温度范围（-55℃~125℃）的量值。
用作Maxim'S公司的MAX1537EV装置的变换器适用于基准的测试。该评估装置提供3.3V和5V两种输出电压，两者都存在5A的最大输出电流Iout。该评估装置的照片示图1。用于3.3V电压输出时，推荐的输出电容器的容量C=220μF（在图2中的位置为C6）；用在5V输出时，电容器的量值C=150μF。纹波电压值AC和波形的测量是采用检测滤波质量的主显示器。Goldstar GP-505稳压电源被用作供给需要具有20V固定输入电压的评估装置。
输出负载电路由电阻器和电容器组成，以汲取最大电流值的2/3。用于3.3V输出时，使用2.2Ω的电阻器(R)和4.7μF的钽电容器(C)并联组合而成；用于5V输出电压时，R的量值是3.2Ω（见图3所示）。其电压波形和相关的交流电压有效值Vrms使用Agilent Infiniium 5483013数字示波器指示。
3 用于3.3V输出电压的电容器特性
图4和图5的曲线图示出了使用于3.3V评估装置的、用不同技术制造的具有C=220μF标称电容量的电容器的特性曲线。例外的是MLCC电容器，其中使用了两只100μF的器件。所选择的电容器技术是钽—聚合物介质电容器，钽（存在单一和多个板极构造的MnO2）电容器，铌氧化物(MnO2)电容器，多层陶瓷电容器和铝电解电容器。对于钽—聚合物介质电容器和钽—MnO2多板极电容器而言，在频率由10Hz到100kHz的范围内，它们的电容值存在相对较小的下降，反之，在跨度相同的频率范围内，钽—MnO2 电容器和铝电解电容器的电容值显示出较大下降。由于MLCC电容器的电容量依赖于直流(dc)偏置电压，所以在其被测量期间，实际的电容量将会遭受损失。图5示出了MLCC电容器的非常低的ESR特性和钽—聚合物器件相对低的ESR。在超过整个测量频率范围时，铝电介电容器的ESR是相对较高的。
图6所示为用于5V输出评估装置的具有标称电容值C=150μF之不同类型电容器的频率特性曲线（除了100μF的MLCC电容器和铝电解电容器）。两种类型电容器——单一板极和多板极钽电容器在较高频率（超过100kH）时保持着较高的电容量，反之，在较低频率时，铌氧化物电容器和铝电解电容器则会较快地丢失它们的电容值（见图7所示）。在大约100kHz频率范围，MLCCs电容器呈现很低的ESR；在相同的频率范围，钽多板极电容器和钽—聚合物介质电容器示出的是低ESR；在所有超频率范围，铝电解电容器具有高ESR。
4 电容量的稳定性
实验显示，钽—MnO2技术电容器呈现出最佳的总电容量稳定性。铌—氧化物—MnO2电容器的电容量对直流(dc)偏置电压比较敏感，而钽—聚合物介质电容器的电容量稳定性对温度变化比较敏感。MLCC电容器的电容量则十分依赖于实际的温度和直流(dc)偏置电压两个因素。然而，铝电解电容器的电容量稳定性不受直流(dc)偏置电压变化的影响，但对温度有很大的依赖性。
在测试中我们可以以发现，所有电容器的ESR与直流(dc)偏置电压的关系是相对稳定的。在对比电容器ESR的稳定性与温度的关系时，我们可以发现其差别。钽—聚合物介质电容器和MLCC电容器显示出最稳定的ESR，但是，在整个超温度范围，MLCC电容器的ESR是很低的。钽—MnO2电容器和铌—氧化物—MnO2电容器的ESR是随温度的上升而下降的。铝电解电容器则表现不同——在低温时（低于0℃），其ESR上升到很高的量值，这是因为低温时潮湿电解质的导电率受到限制。
图8和图9示出了各种类型的电容器被使用时所形成的不同的波形形状。比较钽—聚合物介质电容器和钽—MnO2电容器显示，在用作3.3V和5V输出时，采用钽—MnO2电容器存在高次谐波成分中的较低等级的纹波电压。该纹波电压基本频率必然等于变换器的开关频率fswl=300kHz。在使用MLCC电容器时，3.3V和5V两种输出电路呈现出不希望存在的近似于fosc=50kHz频率的振荡以及由于调整器的不稳定性产生的交流(ac)高电压Vrms。使用相对地高的交流Vrms电压测量两种输出电路的电压波形，可以看出，铝电解质类型的电容器不能呈现出良好的波形。[#page#]
5 温度对输出纹波电压的影响
由图10和图11显示的铝电解质电容器和MLCC电容器的Vrms状态跨越一个宽阔的Vrms范围。在放大了的刻度盘中，这两个图表也显示很小的范围。用于3.3V和5V输出的两种电容——以及对于电容器的技术性能中的大多数——其输出的纹波电压Vrms是随着温度的升高而呈几乎线性地减小的。但是，铝电解质电容器和MLCC电容器是例外，因为它们的电容量和ESR是随温度呈指数变化的（见图8和图9）。
在整个温度范围跨度内，铝电解质电容器也显示出高等级的ESR，与其它的电容器技术性能比较，其输出纹波电压是很高的，所以，其消除纹波电压的能力是被此限制的。使用MLCC电容器时，很低的ESR等级会引起电路工作不稳定，从而造成纹波电压也较高。它们可以与其它电容器技术性能一起使我们观测到，在高开关频率，ESR是低电容量时，在输出电路中的纹波电压将是较低的。
6 比较电容器的尺寸
在我们的评价基准上，钽—聚合物介质电容器和钽—MnO2低高度电容器是继铌氧化物—MnO2电容器之后的具有相同安装面积但高度较低的、恰如其分为最小尺寸的电容器。径向引线的铝电解质电容器需要较大的安装面积并且体积较大。
7 小结
表1和表2归纳总结了我们探讨评估的各类电容器的特性。此外，你可以在开关频率较低（相对谐振频率）的情况下，采用钽—聚合物介质电容器和钽—MnO2多层板极电容器作为输出电容器，以帮助DC-DC变换器获得较低电平的输出纹波电压。在存在可变输出电压的情况下，建议使用钽—MnO2电容器，因为它们与直流(dc)偏置电压相比较，提供了最佳的电容器稳定度。
我们强烈地建议设计师们在决定系统工作温度的时候，一定要考虑输出电容器的电容量和ESR的温度稳定性。从这个观点出发，以钽—聚合物介质电容器和钽—MnO2电容器建立起来的电路最稳定，相反，MLCC电容器和铝电解质电容器提供的稳定度最差。输出电容器的电容量和ESR可以有效地影响DC-DC变换器调节反馈回路，从而决定变换器的工作稳定度。这些参数可以在一定范围内保证系统的稳定性。
在我们的实验研究中，MLCC电容器的ESR太低(1~2mΩ)，这将导致电路产生振荡和形成相对较大的纹波电压。因此，MLCC电容器没有被推荐给我们的实验中研究。MLCC电容器仅仅可在仔细评估它们的低ESR与回路的稳定性关系时推荐给设计师们。
采用普通的铝电解质电容器将会导致高的输出纹波电压和产生微弱的滤波效果，这是由于它们存在较高的ESR特性之原因。这也将在低温时使其性能更加严重地恶化。
基于我们的测量结果，采用诸如钽—聚合物介质电容器和尤其是具有多板极结构的钽—MnO2电容器等低ESR的输出电容器，将可得到输出纹波电压的交流均方根值Vrms及Vrms的温度稳定性等最佳测量结果。MLCC电容器和铝电解质电容器的技术特性可以被用来长期注意MLCC电容量的不稳定性和铝电解质电容器的输出纹波电压。良好的成本和性能价值比较，也可以得到采用钽—氧化物介质电容器的信息。
参考资料
[1] Chester Simpson， Member of Technical Staff， Power Supply Design Group， National Semiconductor.
[2] Dataxheet and product flyer of Maxim MAX1537 main power supply controller， http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/4521.
[3] Dataxheet of produt flyer of Maxim MAX1537EVKIT evaluation kit， http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qu_pk/4546.
[4] HP Impedance analyzer 4192A description and dataxheet， http://www.testequipmentdepot.com/usedequipment/hewlettpackard/impedan ceanalyzers/4194a.htm.
[5] Agilent Infiniium oscilloscope 54830B dataxheet， http://www.dataxheetcatalog.org/datasheet2/9/0o4ptsp0alkuqg2rh3tp0wy3expy.pdf.
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[7] T.Zednicek， "Tantalum polymer and Niobium Oxide capacitors"， http://www.avx.com/docs/techinfo/newtant.pdf.
