POSCAP在DC/DC转换器中的应用

POSCAP在DC/DC转换器中的应用

作者：北京航空航天大学 方佩敏

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。

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)；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，的ESR仅为5mΩ，允许的纹波电流为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。

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。

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。

POSCAP各系列主要参数如表4所示。

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。

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VIN、输出电压VOUT、输出电流IOUT(max)及开关频率fsw。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IOUT(max)的20%～40%，即

(1)　△I'OUT=(0.2-0.4)IOUT(max)

在fsw高、IOUT(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=(VIN-VOUT)×VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )

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LACT=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ILP-P。

ILP-P可按ILP-P=1.2×IOUT(max)估算。

3、纹波电流△IOUT的复算

可根据LACT来复算纹波电流△IOUT

(3)　△IOUT=(VIN-VOUT)×VOUT/(fsw×LACT×VIN )

4、选择合适的POSCAP电容器

根据已知的VOUT及计算出的△IOUT，按POSCAP样本选择合适的输出电容器COUT。要满足两个条件：VOUT=(0.8～ 0.9)VRATED(VRATED为电容器的额定电压）；△IOUT(ALLOW)>△IOUT(△IOUT(ALLOW)是电容器的允许纹波电流)。

若所选的单个电容器的△IOUT(ALLOW)不能满足大于△IOUT的要求，则可用几个同型号的电容器并联，使满足下式： (4)　△IOUT(ALLOW)×N>△IOUT

式中N为并联的电容器数。

5、的输出纹波电压△IOUT计算

在选定电容器后，可知道该型号电容器的ESR值，则输出纹波电压△VOUT为：

(5)　△VOUT=△IOUT×ESR/N

如果按式(5)计算出来△VOUT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VIN=3.3V、VCC=3.3V(VCC是给LM2745内部电路供电的)、输出电压VOUT=1.2V、输出电流IOUT(max)=16A、开关频率fsw=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)。

(1)△I'OUT的估算

因开关频率较高，输出电流IOUT(max)较大，采用20%的系数，则有：

△I'OUT=20%IOUT(max)=0.2×1.6A=3.2A

(2)电感器L1的计算

L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(3.3V-1.2V)×1.2V/(3.2A×1000kHz×3.3V)
=0.24μH

L1取0.22μH标准值，即LACT= 0.22μH

(3)纹波电流的复算

△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(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)，△IOUT(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

△VOUT=△IOUT×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：VIN=5V、VOUT=2.5V、VCC=5V、IOUT(max)=2A、fsw=300kHz，则电感L1及输出电容CO1作如何改动，计算如下。

(1)△I'OUT的估算

△I'OUT=0.4 IOUT(max)=0.4×2A=0.8A

(2)L1的计算

L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(5V-2.5V)×2.5V/(0.8A×300kHz×5V)
=5.2μH

L1取标准电感值6.8μH，即LACT=6.8μH

(3)△IOUT的计算

△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(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，△IOUT(ALLOW)为1.7A。符合选择电容器的两个条件。

(5)△VOUT的计算

△VOUT=△IOUT×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△VOUT =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。

使用条件：VIN=36～75V、VOUT= 3.25～3.35V(固定电压)、IOUT(max)=32A、fsw=275～325kHz。现设定VIN=48V、VOUT=3.3V、IOUT(max)=30A、fsw=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×IOUT(max)=0.2×30=6.0A

(2)L1的计算

L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(48V-3.3V)3.3V/(6.0A×300kHz×48V)
=1.7μH

取LACT=2μH

(3)△IOUT复算

△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(LACT×fsw×VIN )
=(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△IOUT(ALLOW)=4.4A(额定电压6.3V、电容量330μF)。取两个6TPD330M并联，△IOUT(ALLOW)=2× 4.4A=8.8A，满足电容器的两个条件。

(5)△VOUT计算

△VOUT=△IOUT×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VIN=72V，L1、 IOUT(max)、fsw、VOUT不变，计算结果： △IOUT=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△IOUT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。

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VIN=7～28V、输出电压VOUT=0.27～1.85V、输出电流 IOUT(max)=15A、开关频率fsw有4种：200kHz、300kHz、550kHz和1000kHz。

现设定使用条件：VIN=12V、VOUT=1.2V、IOUT(max)=15A、fsw=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，LACT取0.8μH；计算△IOUT得4.5A；选择2R5TPE470M9×2(其参数：额定电压为2.5V、电容量为470μF、ESR为9mΩ，允许纹波电流为3.9A)，可满足电容器的两个要求。

△VOUT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。

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。

现使用条件为VIN=12V、VOUT= 2.5V、fsw=800kHz、工作温度-40～+85℃、IOUT(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 IOUT(max)=0.3×10A=3A

(2)L1=(VIN-VOUT)VOUT/(△I'OUT×fsw×VIN )
=(12V-2.5V)×2.5V/(3A×800kHz×12V)
=0.82μH，取LACT=0.8μH

(3)△IOUT=(VIN-VOUT)VOUT/(fsw×LACT×VIN )
=(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)△VOUT=△IOUT×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。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。