钽电解电容器的替代问题

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在常用电子元器件中，电容器属于种类及规格特性最复杂的元件，尤其为了配合不同电路及工作环境的要求差异，即使是相同电容量值及额定电压值的电容器，也有多种不同种类及材料特质的选择。


将钽电解电容器换成片状多层陶瓷电容器，这样做的理由主要有两个。


        第一是可靠性问题。钽电解电容器存在发生短路故障时导致冒烟和起火的可能性。出现冒烟和起火现象时，对于配备钽电解电容器的电子产品而言是致命的。


        另一个是原材料钽的问题。钽属于稀有金属，其产地在全世界屈指可数。因此，如果产地出现政治动荡等，就会陷入价格暴涨、供给不稳定的局面。只要原材料是稀有金属，钽电解电容器用户就不可能完全避免此类风险。


         而解决这些问题的对策就是用片状多层陶瓷电容器来取代钽电解电容器。片状多层陶瓷电容器发生冒烟和起火的可能性要远远低于钽电解电容器。另外由于不使用稀有金属，价格和供给都更加稳定。而且还有一些钽电解电容器所不具备的优点。


       其优点主要有两个。一是能削减贴装面积。因为片状多层陶瓷电容器单位体积的静电容量较大。另一个是用于DC-DC转换器等输出平滑电路时，可降低输出纹波电压。原因在于片状多层陶瓷电容器的等效串联电阻（ESR：Equivalent Series Resistance）较低。如图1所示，使用钽电解电容器时，输出纹波电压为56mV，而使用片状多层陶瓷电容器时则降到了7mV。


▪用于输出平滑用途时需要注意


        不过，并不是只要单纯地将钽电解电容器换成片状多层陶瓷电容器，工作就结束了的。根据用途的不同，有时还需要注意一些问题。

图1：替换成片状多层陶瓷电容器可以抑制纹波电压

       将DC-DC转换器的输出电容器由钽电解电容器换成片状多层陶瓷电容器时的输出电压波形。DC-DC转换器的开关频率为300MHz。钽电解电容器的容量为100μF。使用3 个 22μF的片状多层陶瓷电容器产品。替换前的纹波电压为56mV，更换成片状多层陶瓷电容器后降到了7mV。


       典型事例是用于上面提到的DC-DC转换器等输出平滑电路时。虽然片状多层陶瓷电容器确实具备因ESR比较低而能降低输出纹波电压的优点，但ESR低的特性有时却是把“双刃剑”。原因是替换为片状多层陶瓷电容器后，DC-DC转换器反馈环路响应特性的相位会大幅偏移。最坏的情况会出现180度偏移，导致DC-DC转换器的输出异常振荡。这样的话，DC-DC转换器就无法发挥作用了。


       为此，将片状多层陶瓷电容器用于输出平滑电路时，需要调整相位补偿电路的常数。如果相位补偿电路集成在DC-DC转换器IC的内部，需要测量被替换掉的钽电解电容器的ESR，然后串联插入ESR与钽电解电容器相同的电阻器。这样做就能抑制异常振荡。


        详情请参见图2。图2（a）是单纯把构成DC-DC转换器输出平滑电路的电容器由钽电解电容器更换成片状多层陶瓷电容器后的输出电压波形。波形出现了异常振荡，DC-DC转换器的输出电压也随之大幅变化。图2（b）是对反馈环路相位补偿电路的常数进行调整后的波形。波形的异常振荡得到了抑制，输出电压降到了不会产生负面影响的水平。实际使用中如果达到了这种输出电压波形，就可放心使用。


       图2：异常振荡时和正常工作时的输出电压波形 （a）为出现异常振荡时的输出电压波形。（b）为正常工作时的输出电压波形。通过调整反馈环路相位补偿电路的常数，能够防止异常振荡。

       一般来说，DC-DC转换器反馈环路响应特性的相位裕度最好确保45度以上。若想满足这一要求，必须调整相位补偿电路的常数。


       不过最近，通过在DC-DC转换器IC一侧进行改进，出现了不少即使直接利用ESR较低的片状多层陶瓷电容器也不会出现异常振荡等问题的产品。选择DC-DC转换器IC时，请确认其数据表（Data Sheet）等。如果注明有“使用片状多层陶瓷电容器也能稳定工作”字样，便可以放心使用。反之，如果没有注明，则需要采取上述的对策。