從電源設計入手，拒絕被瘋漲的 MLCC 綁架
最近兩年最火的電子元器件不是AI芯片，也不是存儲器，多層陶瓷電容(MLCC)供不應求連續漲價成為最火的產業“寵兒”。細究原因，背后有手機的電子復雜性提高，一些智能手機的MLCC用量翻了一番；相比使用典型的現代內燃機的汽車，電動汽車的MLCC用量增加至少4倍……MLCC從2016年底開始缺貨，這使得生產大電容值產品（幾十μF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運行。如何降低MLCC的依賴？電源作為最大的用戶之一，從電源的電容要求著手是解決電容短缺問題的關鍵。對此，作為高性能模擬技術的領先提供商，ADI公司的電源專家曾經撰文給出很多經驗之談，本文總結其中關鍵要點。
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電源電路常用電容的作用及類型選擇分析
電源鏈設計有多種方式。可以使用降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器以及其他幾種拓撲結構。這些結構的 共同點是需要表現出色的外部有源和無源元件才能使系統以最佳狀態工作。有源和無源元件的選擇對電源總體性能影響巨大。效率、?產生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都會在某種程度上依賴于所選的外部元件。在一個典型電源設計中，電阻、電容、電感、二極管和MOSFET的選擇都決定了電源最終的性能表現，而電容是其中的關鍵的性能“決定者”。
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某些電源IC解決方案可能只需要三個外部元件， 如 ADP2108降壓調節器。因為它內置電源開關，所以這種開關穩壓器至少需要兩個電容：一個輸入電容、一個輸出電容。外部元件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓撲結構和電源要求。面對設計中的成本、性能和系統可靠性問題，設計人員必須知道哪些參數最為重要，以便選擇合適的電容。
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電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶?瓷電容是三種最常見的類型。像大多數設計決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點是ESR較高，可達數歐 姆。務必使用開關型電容，因為其ESR和ESL比通用型要 低。鋁電解電容還依賴于電解質，由于電解質會逐漸變 干，因此電容壽命較短。
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鉭電容使用鉭粉末作為電介質。與同等鋁電容相比，鉭電?容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在100 m? 范圍內，比鋁電容低。鉭電容不使用液態電 解質，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個原因，鉭電容 在高可靠性應用中很受歡迎。鉭電容對浪涌電流敏感，有 時需要串聯電阻來限制浪涌電流。務必不要超過制造商建 議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時，可能 會燒毀并冒煙。
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多層陶瓷電容(MLCC)提供極低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。MLCC的最大容值可達100 F，但隨著容值大于10 F物理尺寸和成本會增加。請注意MLCC的電壓額定值及其結構中使用的電介質，實際容值會隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數。依據所選的電介質不同這種變化可能非常大。
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壓縮電容“大戶”——輸出電容和旁路電容需求
如前文所述，電源中常用的四個電容是：輸出電容、輸入電容、旁路電容和補償電容。減少電容使用，ADI的專家給出從從輸出電容和旁路電容入手降低電容用量的思路。
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輸出電容是負責在負載瞬態響應期間平緩輸出電壓波紋和電源負載電流，一般使用幾十μF到100 μF的大電容。工程師都明白增加開關頻率的好處，對于降低電容使用來說也是似乎也是如此。但值得注意的是，開關頻率與交越頻率的關系——根據采樣定理，為了保證系統穩定交越頻率必須小于開關頻率的1/2，ADI工程師的指導意見是可以將交越頻率設置為開關頻率的1/5（或更低）。因此提高開關頻率（對應提高交越頻率）會導致兩個問題：需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩；如果它們的幅度相當，負反饋會響應輸出電壓波紋，從而影響到穩定運行。
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要增加交越頻率需要同時增加開關頻率，但這會導致頂部和底部FET的開關損耗增加，會降低轉換效率和產生更多熱量。在電容上實現的節省會因為增加散熱元件帶來的復雜性抵消（比如鰭狀散熱器、風扇或額外的板空間）。
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這需要具有特別的Knowhow的方案解決這個兩難——能夠在高頻率下保持高效率。其中，ADI公司的穩壓器IC就可以達到這種效果，這些穩壓器IC采用獨特的FET控制功能，在更高開關頻率下也能保持高效率。對于典型的穩壓器，開關頻率增高時效率會下降，ADI的穩壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩壓器在操作頻率為2 MHz時（12V 輸入和5V輸出），在整個負載范圍內（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。這個穩壓器也可以通過減少電流波紋?(ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓 (ΔVOUT)。
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旁路電容主要被用于吸收開關操作產生的噪聲。如果能從其他方面降低開關噪聲，就可以減少旁路電容的數量。有一個特別簡單的方法可以實現這種?效果，即使用Silent Switcher? 穩壓器。
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LT8640S是Silent Switcher技術的第二代，與第一代相比IC內部集成高頻輸入電容，這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置，無疑這也會降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會通過動態改變開關頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標準。
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本文總結
除了上面總結的經驗之談，還有這些要點值得注意：由于電介質的壓電效應，MLCC電容對PCB振動敏感，所產生的電壓噪聲可能會擾亂PLL等敏感模擬電路，在此類敏感應用中，不受振動影響的鉭電容可能是更好的選擇；很多時候多個電容并聯以獲得較大的電容也許是明智的，利用這種辦法可以獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設計要求。此外，值得提醒的是，電源設計很多時候是系統性的工程，你需要考慮的不僅僅是MLCC，還有更多其他關鍵器件和參數指標需要兼顧，這個時候一款給力的設計工具或許才是好幫手，比如使用ADI公司的ADIsimPower 等在線設計工具會將這些權衡因素考慮進去，幫助您優化設計。
?預計2019 年全球MLCC 出貨量約4.5 兆顆（資料來源: Paumanok）
?電源電路常用電容的作用及類型選擇分析
電源鏈設計有多種方式。可以使用降壓轉換器、升壓轉換器、降壓/升壓轉換器以及其他幾種拓撲結構。這些結構的 共同點是需要表現出色的外部有源和無源元件才能使系統以最佳狀態工作。有源和無源元件的選擇對電源總體性能影響巨大。效率、?產生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都會在某種程度上依賴于所選的外部元件。在一個典型電源設計中，電阻、電容、電感、二極管和MOSFET的選擇都決定了電源最終的性能表現，而電容是其中的關鍵的性能“決定者”。
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某些電源IC解決方案可能只需要三個外部元件， 如 ADP2108降壓調節器。因為它內置電源開關，所以這種開關穩壓器至少需要兩個電容：一個輸入電容、一個輸出電容。外部元件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓撲結構和電源要求。面對設計中的成本、性能和系統可靠性問題，設計人員必須知道哪些參數最為重要，以便選擇合適的電容。
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典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容：
輸出電容：?在負載瞬態響應期間，平緩輸出電壓波紋和電源負載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
輸入電容：?：除了穩定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時供應。一般在幾μF到幾十μF之間。
旁路電容：?吸收開關操作產生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
補償電容：?保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關穩壓器IC中采用了補償電容。
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輸出電容：?在負載瞬態響應期間，平緩輸出電壓波紋和電源負載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
輸入電容：?：除了穩定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時供應。一般在幾μF到幾十μF之間。
旁路電容：?吸收開關操作產生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
補償電容：?保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關穩壓器IC中采用了補償電容。
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?以同步降壓型?DC/DC 轉換器LTC3411為例看典型降壓穩壓器使用的電容
?電容有多種類型可供選擇。鋁電解電容、鉭電容和多層陶?瓷電容是三種最常見的類型。像大多數設計決策一樣，選擇合適的類型涉及一系列權衡因素。鋁電解電容的容值大、成本低，在所有選擇中，其成本/F 比最佳。鋁電解電容的主要缺點是ESR較高，可達數歐 姆。務必使用開關型電容，因為其ESR和ESL比通用型要 低。鋁電解電容還依賴于電解質，由于電解質會逐漸變 干，因此電容壽命較短。
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鉭電容使用鉭粉末作為電介質。與同等鋁電容相比，鉭電?容能以更小的封裝提供更大的容值，不過成本較高。ESR 通常在100 m? 范圍內，比鋁電容低。鉭電容不使用液態電 解質，因而壽命比鋁電解型要長。由于這個原因，鉭電容 在高可靠性應用中很受歡迎。鉭電容對浪涌電流敏感，有 時需要串聯電阻來限制浪涌電流。務必不要超過制造商建 議的浪涌電流額定值和電壓額定值。鉭電容失效時，可能 會燒毀并冒煙。
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多層陶瓷電容(MLCC)提供極低的ESR (<10 m?)和ESL (<1 nH)，采用小型表貼封裝。MLCC的最大容值可達100 F，但隨著容值大于10 F物理尺寸和成本會增加。請注意MLCC的電壓額定值及其結構中使用的電介質，實際容值會隨著施加的電壓而變化，這稱為電壓系數。依據所選的電介質不同這種變化可能非常大。
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壓縮電容“大戶”——輸出電容和旁路電容需求
如前文所述，電源中常用的四個電容是：輸出電容、輸入電容、旁路電容和補償電容。減少電容使用，ADI的專家給出從從輸出電容和旁路電容入手降低電容用量的思路。
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輸出電容是負責在負載瞬態響應期間平緩輸出電壓波紋和電源負載電流，一般使用幾十μF到100 μF的大電容。工程師都明白增加開關頻率的好處，對于降低電容使用來說也是似乎也是如此。但值得注意的是，開關頻率與交越頻率的關系——根據采樣定理，為了保證系統穩定交越頻率必須小于開關頻率的1/2，ADI工程師的指導意見是可以將交越頻率設置為開關頻率的1/5（或更低）。因此提高開關頻率（對應提高交越頻率）會導致兩個問題：需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩；如果它們的幅度相當，負反饋會響應輸出電壓波紋，從而影響到穩定運行。
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要增加交越頻率需要同時增加開關頻率，但這會導致頂部和底部FET的開關損耗增加，會降低轉換效率和產生更多熱量。在電容上實現的節省會因為增加散熱元件帶來的復雜性抵消（比如鰭狀散熱器、風扇或額外的板空間）。
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這需要具有特別的Knowhow的方案解決這個兩難——能夠在高頻率下保持高效率。其中，ADI公司的穩壓器IC就可以達到這種效果，這些穩壓器IC采用獨特的FET控制功能，在更高開關頻率下也能保持高效率。對于典型的穩壓器，開關頻率增高時效率會下降，ADI的穩壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩壓器在操作頻率為2 MHz時（12V 輸入和5V輸出），在整個負載范圍內（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。這個穩壓器也可以通過減少電流波紋?(ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓 (ΔVOUT)。
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?通過增加開關頻率來減小電容和電感的尺寸。
?旁路電容主要被用于吸收開關操作產生的噪聲。如果能從其他方面降低開關噪聲，就可以減少旁路電容的數量。有一個特別簡單的方法可以實現這種?效果，即使用Silent Switcher? 穩壓器。
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LT8640S是Silent Switcher技術的第二代，與第一代相比IC內部集成高頻輸入電容，這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置，無疑這也會降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會通過動態改變開關頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標準。
?Silent Switcher 2技術在IC中集成輸入電容，由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。
?本文總結
除了上面總結的經驗之談，還有這些要點值得注意：由于電介質的壓電效應，MLCC電容對PCB振動敏感，所產生的電壓噪聲可能會擾亂PLL等敏感模擬電路，在此類敏感應用中，不受振動影響的鉭電容可能是更好的選擇；很多時候多個電容并聯以獲得較大的電容也許是明智的，利用這種辦法可以獲得所需的大電容值和低 ESR，從而滿足設計要求。此外，值得提醒的是，電源設計很多時候是系統性的工程，你需要考慮的不僅僅是MLCC，還有更多其他關鍵器件和參數指標需要兼顧，這個時候一款給力的設計工具或許才是好幫手，比如使用ADI公司的ADIsimPower 等在線設計工具會將這些權衡因素考慮進去，幫助您優化設計。