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解决方案指南
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解决指南
在车载领域,车载ADAS ECU、Autonomous ECU等伴随着高度图像处理的系统的CPU、FPGA等随着系统的高性能、高功能化,需要高速动作以及大电流驱动。 另外,在ICT领域,服务器等需要庞大电力的成套设备需要支持大电流化的电源构成。如上所述,高性能、高功能化系统的电源线有高速动作、大电流化的倾向。同时,需要将随着处理器的细微化降低的公称电压控制在狭窄的容许范围内的电源构成。

电气特性方面的电容器要求

下面是固定负荷时和负荷变动时电压变动的公式和示意图。
随着电流的大电流化(Δiout的增加)、高速动作化(dΔiout/dt的增加),负荷变动时的电压变动与固定负荷时的电压变动相比,变动幅度变大,为了将其控制到所希望的电压范围内,需要大容量、低ESR、低ESL的电容器构成。

电压变动计算公式
负荷固定时的电压变动(波纹电压) 负荷变动时的电压变动
ΔV out = ΔIL × ESR + ESL × Vin + ΔIL ΔV out = Δiout × ESR + ESL × dΔiout + 1 ∫ Δioutdt
L 8 × c × Fsw dt c
负荷电流急剧变动时电压变动的示意图

DC-DC转换器的电流供给无法追随负荷变动时,
作为其备份工作,在电源追随之前向负荷供应必要的电流。

在比以往高速动作、大电流的线路上,为了电源的稳定化、瞬间的电力供给,使用很多大容量电容器,如导电性高分子电容器等。
本资料中,将以往使用的导电性高分子电容器置换为以低ESR、低ESL为特征的MLCC,以此来验证控制电压变动的效果,其中包括电源的稳定性(频率特性)。

输出电容器 最佳构成验证

按照以下评价条件,通过以下①~②的2种构成来验证最佳的输出电容器构成。
按照以下评价条件、项目进行验证。

输出电容器构成
输出电容器构成
合计容量[μF] 990 1000
导电性高分子电容器
(2.5V 7343 330μF)
3pcs
MLCC
CGA6P1X7T0G107M250AC
(4.0V 3225 100μF)
车载支持品 量产中
10pcs

评价条件

  • ◆ 输入电压:12V
  • ◆ 输出电压:1.5V
  • ◆ 开关频率:400kHz
  • ◆ 负荷电流(Δiout):30A
  • ◆ 电压转换速率(Δiout/dt):100A/μsec
评价项目:阻抗/ESR 特性

MLCC与导电性高分子电容器相比,具有优异的ESR、ESL特性。
将导电性高分子电容器置换成MLCC,可以降低ESR、ESL。

负荷固定时和负荷变动时的电压变动波形

负荷固定时、负荷变动时构成②MLCC都可以控制电压变动。
如“阻抗/ESR特性”所示,构成②MLCC可以实现低ESR、低ESL,可以控制电压变动。

构成 导电性高分子电容器 MLCC(调整后)
品名/规格 2.5V 7343 330μF x3pcs CGA6P1X7T0G107M250AC x10pcs
4.0V 3225 100μF
合计容量[μF] 990 1000
固定负荷时
电压变动[mV]

Δiout:30A
负荷变动时(上升)
电压变动[mV]

Δiout:0A→30A
Δiout/dt:100A/μs

关于增加MLCC的搭载带来的低ESR的影响和稳定性

前面已经说明增加MLCC的搭载数量对控制电压变动有效,但是一般来说,由于增加MLCC的搭载数量导致的低ESR的影响,对于一些电源IC的规格,稳定性有下降的倾向。因此,通过FRA(频率特性分析仪)等取得、确认显示电源IC的频率特性的波特图,确认电源的响应性和稳定性的关系很重要。另外,稳定性调整一般是调整下述电源电路块图的外部相位补偿电路和反馈部分的电容器和电阻的常数。

*具体的调整方法等根据使用的电源IC而有所差异。调整方法等请直接咨询IC制造商。

通过波特图进行测量的示例
测量时的要点和对电压变动的影响
项目 要点 对电压变动的影响
交叉频率 高的一方高速动作
⇒影响响应性
减少电压变动
相位裕量/增益裕量 高的一方稳定动作
⇒影响稳定性
防止振铃和异常动作
电源电路块图

裕量不足时的对策示例:相位补偿部分的调整

由于相位补偿部分的调整,电压变动时的波形如下所示。
比较调整前后,交叉频率从43kHz提高到63kHz,速度提高了,所以电压变动减少了31mV。
而调整后的相位裕量从30deg增加到53deg,并且,由于没有调整之前看到的振铃波形,所以稳定性也得到了改善。
如果没有FRA(频率特性分析仪),观测波形时是否发生振铃或振荡是稳定性的基准,
请在实际测量时确认

MLCC 相位补偿 调整前 调整后
固定负荷时
电压变动[mV]

Δiout:30A
负荷变动时(上升)
电压变动[mV]

Δiout:0A→30A
Δiout/dt:100A/us
有无振铃是稳定性的标准

输出电容器 最佳构成验证 总结

评价结果总结如下。

  • 大电流、高电压转换速率环境时,负荷急剧变动时的电压变动会受到输出电容器的ESR、ESL成分的影响会变大。
    MLCC可以实现低ESR、低ESL,可以控制电压变动。
  • 一般来说,由于MLCC的低ESR化,有稳定性(相位裕量)降低的倾向,在这种情况时,请研究修改相位补偿电路的常数。
  • 设计输出电容器的构成时,除了电压变动,还需要考虑电源的稳定性,然后进行优化。
  • 在要求高可靠性的成套设备中,使用TDK支持车载的大容量MLCC,可确保电气特性和可靠性。
  • 为了能够根据使用电路所要求的电气性能、安装面积限制、件数限制等各项限制,选择最合适的零件,TDK备齐了丰富的系列产品。TDK系列产品、数据表、技术支援工具等可在本公司的网站上确认。
输出电容器构成 导电性高分子电容器 MLCC
品名/规格 2.5V 7343 330μF x3pcs CGA6P1X7T0G107M250AC x10pcs
4.0V 3225 100μF
合计容量[μF] 990 1000
负荷固定时 电压变动[mV]
Δiout:30A
61 12
(-80%)
负荷上升时 电压变动[mV]
Δiout:30A
Δiout/dt:100A/μs
179 95
(-46%)