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解决指南
传统无线充电器或DC-DC转换器的谐振电路中,多采用薄膜电容器。但随着MLCC容量的扩大和额定电压的提升,上述所采用的薄膜电容器开始逐渐被MLCC替代。MLCC相比薄膜电容器具有诸多优势,用MLCC替代薄膜电容器可达到缩减尺寸,降低损耗等效果。本《解决指南》为您介绍谐振电路中无线充电的测量示例,并为您推荐适用于谐振电路的MLCC。

不同电容器种类的特性

MLCC大体上可分为第1类(用于温度补偿)和第2类(高介电常数系统)。第2类MLCC的优点是容量大,缺点是静电容量的变化率受温度影响大。另一方面,以C0G特性为代表的第1类MLCC的容量低于第二类MLCC,但静电容量的变化率受温度影响小,且具有优秀的频率特性,因此被用于追求高精度等的电路中。
铝电解电容器、薄膜电容器、MLCC(第1类和第2类)三种主要电容器的额定电压-静电容量对应范围如图1所示。
以C0G特性为代表的第1类MLCC与薄膜电容器一直以来仅有部分重叠,但随着近年来定额电压的提升和电容量范围的不断扩大,重叠范围也在不断扩大。

图1 :各种电容器额定电压-静电容量的对应范围

谐振电路电容器应具备的主要特点

要使谐振电路中电容器和线圈发生谐振,电容器是关键。
用于谐振的电容器应具备以下几种特性:

・具有优异的温度特性
谐振频率为f=1/(2π√LC)。所以,静电容量受温度影响产生变化后,谐振频率也会发生变化,导致功率效率降低。
因此,特性变化受温度影响小是很重要的。

・具有优异的耐击穿电压特性
电容器和线圈通过发生谐振,来降低谐振电路的阻抗并使大电流流过,因此电容器会承受较大电压。
所以,电容器需要足够高的耐击穿电压(额定电压)特性。

・具有优异的ESR特性
电容器中流经电流较大,想要抑制损耗需要较低的ESR。
电容器的ESR或tanδ越小,因电容器产生的损耗就越小。


聚丙烯薄膜电容器和第1类MLCC满足上述条件,所以被用于谐振电路的电容器。尤其是第1类MLCC的静电容量变化受温度影响小,损耗低,且体积小,高度低,作为薄膜电容器的替代品,越来越受到关注。

表1:薄膜电容器特性与MLCC的比较

无线充电器评估示例

以下为智能手机无线充电器内的谐振电容器的相关评估示例。

评估组成
智能手机Qi关联无线充电器
输入:5V/2A
输出:5W

以下的示例比较了两种充电器效率和贴装面积方面发生的具体变化。
图2为无线充电器的谐振电路示意图和用于评估的电容器。

图2:关于用各种电容器替换无线充电器谐振电容器后的评估结果

施加到谐振电容器上的电压和电流波形
图3为施加到谐振电容器上的电压和电流。由图可知,施加到谐振电容器上的电压、电流波形接近正弦波。
电容器会使交流电流通过,所以电容器会产生损耗。为抑制这一损耗,电容器的ESR需要足够小。

图3:施加在谐振电容器上的电压和电流波形

实际设备中电容器损耗和电源效率的比较

图4比较了谐振频率下薄膜电容器(PP)和 MLCC(第一类)的 ESR、和谐振电容器的整体损耗。
第1类MLCC的ESR比薄膜电容器约小一个数量级。
由于电容器损耗为 ESR x I2,所以ESR较小一方更能抑制谐振电路中的损耗。

图4:薄膜电容器(PP)与MLCC(第1类)的ESR特性比较

第一类MLCC和薄膜电容器的ESR频率特性

谐振电容器中的损耗比较(计算值)

电容器的ESR越小产生的损失越少

图5显示了无线充电器效率的测量结果。 通过改变无线充电器的负载电流,不难发现与薄膜电容器相比,第一类 MLCC 的充电效率提高了约 1%。

图5:无线充电器的功率效率比较

谐振电容器的损耗越小,充电器的功率效率越高。

贴装面积的比较

如图6所示,MLCC的体积比薄膜电容器小,因此能减少贴装面积。

图6:谐振电容器贴装面积的减少情况

小结

以上我们以无线充电器谐振电容器为例,比较了不同种类电容器的损耗和贴装面积。

 ·第1类MLCC的ESR低,能减少谐振电容器的损耗,有利于提高功率效率。
 ·与薄膜电容器相比,第1类MLCC的体积更小、高度更低,可缩小组装面积。

如上所述,以C0G为代表的第1类MLCC适用于谐振电容器,有助于提高功率效率和实现小型化。