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。


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。

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。

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。

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、最大输出电流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 △iout

在初步估算△iout时，可取iout(max)的20%～40%，即

(1)　△iout=(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/(△iout×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)是电容器的最大允许纹波电流)。

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、最大的输出纹波电压△iout计算

在选定电容器后，可知道该型号电容器的最大esr值，则最大输出纹波电压△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、最大输出电流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)△iout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：

△iout=20%iout(max)=0.2×1.6a=3.2a

(2)电感器l1的计算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×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)△iout的估算

△iout=0.4 iout(max)=0.4×2a=0.8a

(2)l1的计算

l1=(vin-vout)vout/(△iout×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。