通过降低电源对电容的要求来解决MLCC短缺问题

全球范围内，多层陶瓷电容(MLCC)的供应短缺问题日益严重。这主要源于手机电子复杂性的提高、电动汽车销售量的增加以及全球各行业电子内容的扩展。与几年前相比，一些智能手机的MLCC用量增加了一倍；而电动汽车使用的MLCC数量相较于传统内燃机汽车至少增加了4倍(图1)。自2016年底以来，MLCC短缺现象日益显著，尤其使得生产大电容值产品(几十µF或更高)变得更加困难，而现代高能电子器件对此类电容的需求持续增加。制造工厂必须着手降低MLCC要求，特别是开关稳压器的电容。因此，电源设计人员成为解决电容短缺问题的关键。

图1.全球范围内电动汽车(a)和手机(b)对MLCC的用量增加，但生产量没有相应增加，导致MLCC缺货。

电源电路使用电容——大量电容

典型的直流-直流降压变换器使用下列电容(参见图2)：

输出电容：用于在负载瞬态响应期间平缓输出电压波纹和电源负载电流。一般使用几十μF到100 μF的大电容。

输入电容：用于稳定输入电压，并在需要时即时供应输入电流。一般在几μF到几十μF之间。

旁路电容：吸收开关操作产生的噪声以及来自其他电路的噪声。一般在0.01 μF到0.1 μF之间。

补偿电容：保证反馈回路中的相位裕量并防止振荡。通常为几百pF或几十nF，有些开关稳压器IC中采用了补偿电容。

图2.典型降压稳压器使用的电容。

增加开关频率，以降低输出电容

图3a显示了典型电流模式降压变换器的框图，下部电路区域表示反馈回路和补偿电路。反馈回路的特性如图3b所示。在回路增益为0 dB(增益=1)时的频率被称为交越频率(fC)。交越频率越高，稳压器的负载阶跃响应性能越优秀。例如，图4所示为支持负载电流从1A快速增加到5A的稳压器的负载阶跃响应。所示结果对应的交越频率分别为20 kHz和50 kHz，导致输出电压波纹分别为60 mV和32 mV。

图3.典型降压稳压器(a)的框图和典型的反馈特性(b)。

图4.比较采用两种交越频率时，降压稳压器的负载阶跃响应。

提高交越频率似乎是一个简单的方法，通过最小化输出压降来改善负载阶跃响应，从而减少输出电容数量。但是，这种方法会导致两个问题。首先，需要确保反馈回路具备足够的相位裕量，以防止振荡。一般来说，采用该交越频率时，需要45°或更高(最好是60°或以上)的相位裕量。其次，需要注意开关频率(fSW)和fc之间的关系。如果它们的幅度相当，负反馈会响应输出电压波纹，从而影响到稳定运行。作为一项指导，可以将交越频率设置为开关频率的1/5(或更低)，如图5所示。

图5.如果开关频率和控制回路交越频率太过接近，负反馈可能响应输出电压波纹。最好是让交越频率低于开关频率1/5。

为了增加交越频率，需要同时提高开关频率。然而，这会导致顶部和底部FET的开关损耗增加，降低转换效率并产生更多热量。在电容上实现的节省会因为增加散热元件带来的复杂性而抵消，比如鳍状散热器、风扇或额外的板空间。

然而，答案是肯定的：通过使用ADI公司提供的Power by Linear™稳压器IC，可以在高频率下保持高效率。这些稳压器IC采用独特的FET控制功能，在更高的开关频率下仍然能够保持高效率(图6)。举例来说，LT8640S 6A输出降压稳压器在操作频率为2 MHz时(12V输入和5V输出)，在整个负载范围内(0.5A至6A)都能保持高于90%的效率。

此外，LT8640S还可以通过减少电流波纹(ΔIL)来降低电容需求，从而降低输出波纹电压(ΔVOUT)，如图7所示，或者使用更小的电感。通过增加开关频率，可以改善负载阶跃响应和负载调整，如图8所示。