寄生电容一般是指电感,电阻,芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上,一个电阻等效于一个电容,一个电感和一个电阻的串联,在低频情况下表现不是很明显,而在高频情况下,等效值会增大,不能忽略。在计算中我们要考虑进去。ESL就是等效电感,ESR就是
等效电阻。不管是电阻,电容,电感,还是
二极管,
三极管,
MOS管,还有
IC,在高频的情况下我们都要考虑到它们的等效
电容值,电感值。
1、另一方面传感器除有极板间
电容外,极板与周围体(各种元件甚至人体)也产生电容联系,这种电容称为寄生电容。它不但改变了
电容传感器的电容量,而且由于传感器本身电容量很小,寄生电容极不稳定,这也导致传感器特性不稳定,对传感器产生严重干扰。
2、分布在导线之间、线圈与
机壳之间以及某些元件之间的
分布电容等,这些电容称为寄生电容,它们的数值虽小,但是却是引起干扰的重要原因。
实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为
过电压、
过电流毛刺)。为了提高
系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”
功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化的境地。它类似于
微电子中的用户
专用集成电路(
ASIC)。只要把
控制软件写入该模块中的
微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。
电源纹波和瞬态规格会决定所需
电容器的大小,同时也会限制电容器的寄生组成设置。图1 显示一个电容器的基本寄生组成,其由
等效串联电阻(
ESR)和等效串联电感(
ESL)组成,并且以
曲线图呈现出三种电容器(
陶瓷电容器、铝质
电解电容器和$铝聚合物电容器)的阻抗与频率之间的关系。表1显示了用于生成这些曲线的各个值。这些值为低压(1V – 2.5V)、中等强度电流(5A)同步降压电源的
典型值。
低频下,所有三种电容器均未表现出
寄生分量,因为
阻抗明显只与电容相关。但是,
铝电解电容器阻抗停止减小,并在相对低频时开始表现出电阻特性。这种电阻特性不断增加,直到达到某个相对高频为止(电容器出现电感)。铝聚合物电容器为与理想状况不符的另一种电容器。有趣的是,它拥有低ESR,并且ESL很明显。
陶瓷电容器也有低ESR,但由于其外壳尺寸更小,它的ESL小于铝聚合物和铝电解电容器。
图2 显示运作在500kHz下的连续同步
调节器模拟的电源输出电容器波形。它使用图1 所示三种电容器的主要阻抗:
陶瓷电容;铝ESR;铝聚合物ESL。
红色线条为
铝电解电容器,其由ESR主导。因此,
纹波电压与电感
纹波电流直接相关。蓝色线条代表陶瓷电容器的纹波电压,其拥有小ESL和ESR。这种情况的纹波电压为输出电感纹波电流的组成部分。由于纹波电流为线性,因此这导致一系列时间平方部分,并且外形看似
正弦曲线。
最后,绿色线条代表
纹波电压,其电容器阻抗由其ESL主导,例如:铝聚合物电容器等。在这种情况下,
输出滤波器电感和ESL形成一个
分压器。这些波形的相对相位与我们预计的一样。ESL主导时,纹波电压引导输出滤波器电感电流。ESR主导时,纹波与电流
同相,而电容主导时,其延迟。现实情况下,输出纹波电压并非仅包含来自这些元件中之一的电压。相反,它是所有三个元件电压之和。因此,在纹波电压波形中都能看到其某些部分。
图 3 显示了一个深度连续
反激或者降压调节器的波形,其输出电容器电流可以为正和负,而具体状态会不断
快速变化。红色线条清楚表明了这种情况,其电压由这种电流乘以ESR得出,结果则为一种
方波。
电容器元件的电压为方波的组成部分。它导致线性充电和放电,如蓝色三角波形所示。最后,仅当电流在过渡期间变化时,电容器ESL的电压才明显。这种电压会非常高,取决于输出电流升时间。请注意,在这种情况下,绿色线条需除以10(假设25 nS电流过渡)。这些大电感尖峰就是在反激或降压电源中经常出现双级
滤波器的众多原因之一。
总之,输出电容器的阻抗有助于提高纹波和
瞬态性能。随着电源频率升高,寄生问题的影响更大、更不应忽视。在20kHz附近,
铝电解电容器的ESR大到足以主导电容阻抗。在100kHz时,一些铝
聚合物电容表现出电感。电源进入兆赫兹
开关频率时,请注意所有三种电容器的ESL。