【導讀】最近在準備開源的電源設計,把《電源是怎樣煉成的》相關內(nèi)容全部開源。所以在做一些器件選型。如下是一個電容的選型過程。 BUCK型開關電源規(guī)格需求：5V0~24V0→1V~5V0 輸出電流：2A。
電源控制器備選型號：MP4420A（A表示：CCM模式，H表示：輕載降頻模式）
PIN2PIN兼容： MPQ4420A-DJ（工業(yè)級），MPQ4420A-DJ-A（汽車級）
廠家：MPS
開關電源的 輸入電容的選型：
1、 DCDC輸入電容的作用：降低輸入紋波電壓、以及紋波電流。
輸入電容的主要作用就是降低電源模塊輸入端的紋波幅值。
使用大容量電容可以有效降低紋波電流的有效值；陶瓷電容器放置在電源的輸入端，有效降低紋波電壓幅度。陶瓷電容的低ESR特性有效降低紋波電壓的幅度。（在紋波電流比較小的情況下，用陶瓷電容即可解決紋波電流和紋波電壓的問題）
因為我們需要利用陶瓷電容的低ESR的特性，所以，我們需要把輸入電容靠近電源模塊放置。
如果你的輸入電容處理不好，幾個uH的雜散電感寄生在輸入電容的電流路徑上，恰好影響在開關頻率上的阻抗，非常影響電路消除紋波電壓的有效性。鋁電解電容以及大多數(shù)鉭電容的ESR太高，不能有效去除紋波電壓。
如果輸入的紋波電壓比較大的話，會導致大量的紋波電流進入大電容，這些電流流經(jīng)ESR，會引起無效的功率損耗。
為了減小大容量電容器中的電流有效值，必須使用陶瓷電容器減小紋波電壓幅度。作為一般的經(jīng)驗法則，保持峰峰值紋波電壓低于75mV保持電容器中的電流有效值在可接受的范圍內(nèi)。（備注：這個經(jīng)驗靠譜么？）
注：大功率電源的紋波電壓極大，不做此約束。
1、理論計算：
負載電流、占空比和開關頻率是決定輸入紋波電壓大小的幾個因素。
輸入紋波電壓幅值與輸出負載電流成正比。最大輸入紋波幅值發(fā)生在最大輸出負載。此外，電壓紋波的幅度隨開關電源的占空比變化而變化。
第一步：計算紋波電流
輸入電流時域波形圖
有效電流定義：有效值在相同的電阻上分別通過直流電流和交流電流，經(jīng)過一個交流周期的時間，如果它們在電阻上所消耗的電能相等的話，則把該直流電流（電壓）的大小作為交流電流（電壓）的有效值
有效值也稱為方均根值。
方均根值指的是在規(guī)定時間間隔內(nèi)一個量的各瞬時值的平方的平均值的平方根，對于周期量,時間間隔為一個周期。
求輸入紋波電流的有效值：
考慮輸出紋波對輸入紋波的影響：
即：輸入電流的頂部也是按照一定斜率變化的，變化幅度與輸出電流相同。
所以：
第二步：輸入電容的紋波電流的選定
可以查電容的數(shù)據(jù)手冊查看其承受紋波電流能力。以高分子電容為例，其額定的紋波電流（Rated ripple）為3.89A。
如果電源輸入電流紋波為9A，則該電容需要放置3個。
鋁電解電容：
陶瓷電容：
第三步：容值的選擇：
利用充放電的電量相同可得：
Q=C*ΔU
Q=Iout*D * T* (1-D)
C=Iout*D* T* (1-D)/ΔU
舉例：
● V IN = 12 V
● V OUT = 3.3 V
● I OUT = 10 A
● η = 90%
● f SW = 333 kHz
● dc = 0.3
根據(jù)我們現(xiàn)在設計的規(guī)格：2A
12V輸入、3V3輸出、輸出電流2A、效率90%，計算：
CMIN=16.8uF
所以，我們可以看到典型設計中，放置了兩個10uF的電容，滿足上述設計要求；
第四步：電容的選擇：
電容的種類太多了，是“電阻”、“電感”、“電容”三大無源器件中，種類最多的一種。
此處，考慮容值需求，成本需求，我們用于電源濾波的，一般只會選擇三類：鋁電解電容、鉭電容、陶瓷電容
鉭電容
鉭電容、優(yōu)點和缺點都很明顯
優(yōu)點：
(1)體積小
由于鉭電容采用了顆粒很細的鉭粉，而且鉭氧化膜的介電常數(shù)ε比鋁氧化膜的介電常數(shù)高，因此鉭電容的單位體積內(nèi)的電容量大。
(2)使用溫度范圍寬，耐高溫
由于鉭電容內(nèi)部沒有電解液，很適合在高溫下工作。一般鉭電解電容器都能在－50℃~100℃的溫度下正常工作，雖然鋁電解也能在這個范圍內(nèi)工作，但電性能遠遠不如鉭電容。
(3)壽命長、絕緣電阻高、漏電流小 鉭電容中鉭氧化膜介質(zhì)不僅耐腐蝕，而且長時間工作能保持良好的性能
(4)容量誤差小
(5)等效串聯(lián)電阻小(ESR),高頻性能好
缺點：
(1)耐電壓不夠高
(2)電流小
(3)價格高
(4)失效模式恐怖
貼片鉭電容封裝、尺寸封裝尺寸：毫米（英寸）
AVX 常規(guī)系列(TAJ)貼片鉭電容：容量和額定電壓(字母表示封裝大小)
封裝尺寸：毫米（英寸）
此處我們應該可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在這個容量等級，需要高耐壓的話，鉭電容的體積優(yōu)勢已經(jīng)沒有了，成本的劣勢會非常明顯。我們首先需要淘汰鉭電容的選擇。
另外，考慮鉭電容的可供應性的問題，還有失效模式的問題，這個應用場景下我們果斷淘汰。高分子聚合物（Polymer）鉭電容的耐壓和成本問題更嚴重。
鋁電解電容
鋁電解電容的優(yōu)缺點
優(yōu)點：
(1)大容量電容，相當單位體積的容量大。
(2)相當單位靜電容的價格便宜。
(3)酸化皮膜（誘電體）具有自身修復性。
(4)故障狀態(tài)的大部分狀態(tài)是磨耗故障，不容易出現(xiàn)短路故障。
(5)沒有容量的電壓依存性。
缺點：
(1)壽命有限。
(2)溫度變化引起的特性變化比較大。
(3)使用非正常條件，電容內(nèi)壓易上升造成壓力閥動作。一般條件下電解液自身也是可燃物
陶瓷電容
如果容量、耐壓滿足的情況下，我們?yōu)榱丝煽啃缘目紤]，一般優(yōu)選用陶瓷電容來解決問題。
但是陶瓷電容有一個易失效的模式：機械失效。
多層片狀陶介電容器由陶瓷介質(zhì)、端電極、金屬電極三種材料構成，失效形式為金屬電極和陶介之間層錯，電氣表現(xiàn)為受外力（如輕輕彎曲板子或用烙鐵頭碰一下）和溫度沖擊（如烙鐵焊接）時電容時好時壞。
多層片狀陶介電容器具體不良可分為:
1、熱擊失效
2、扭曲破裂失效
3、原材失效三個大類
（１）熱擊失效模式：
熱擊失效的原理是：在制造多層陶瓷電容時，使用各種兼容材料會導致內(nèi)部出現(xiàn)張力的不同熱膨脹系數(shù)及導熱率。當溫度轉變率過大時就容易出現(xiàn)因熱擊而破裂的現(xiàn)象，這種破裂往往從結構最弱及機械結構最集中時發(fā)生，一般是在接近外露端接和中央陶瓷端接的界面處、產(chǎn)生最大機械張力的地方（一般在晶體最堅硬的四角），而熱擊則可能造成多種現(xiàn)象：
第一種是顯而易見的形如指甲狀或U-形的裂縫
第二種是隱藏在內(nèi)的微小裂縫
第二種裂縫也會由裸露在外的中央部份，或陶瓷/端接界面的下部開始，并隨溫度的轉變，或于組裝進行時，順著扭曲而蔓延開來（見圖4）。
第一種形如指甲狀或U-形的裂縫和第二種隱藏在內(nèi)的微小裂縫，兩者的區(qū)別只是后者所受的張力較小，而引致的裂縫也較輕微。第一種引起的破裂明顯，一般可以在金相中測出，第二種只有在發(fā)展到一定程度后金相才可測。
（２）扭曲破裂失效
此種不良的可能性很多：按大類及表現(xiàn)可以分為兩種：
第一種情況、SMT階段導致的破裂失效
當進行零件的取放尤其是SMT階段零件取放時，取放的定中爪因為磨損、對位不準確，傾斜等造成的。由定中爪集中起來的壓力，會造成很大的壓力或切斷率，繼而形成破裂點。
這些破裂現(xiàn)象一般為可見的表面裂縫，或2至3個電極間的內(nèi)部破裂；表面破裂一般會沿著最強的壓力線及陶瓷位移的方向。
真空檢拾頭導致的損壞或破裂﹐一般會在芯片的表面形成一個圓形或半月形的壓痕面積﹐并帶有不圓滑的邊緣。此外﹐這個半月形或圓形的裂縫直經(jīng)也和吸頭相吻合。
另一個由吸頭所造成的損環(huán)﹐因拉力而造成的破裂﹐裂縫會由組件中央的一邊伸展到另一邊﹐這些裂縫可能會蔓延至組件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能會令電容器的底部破損。
第二種、SMT之后生產(chǎn)階段導致的破裂失效
電路板切割﹑測試﹑背面組件和連接器安裝﹑及最后組裝時，若焊錫組件受到扭曲或在焊錫過程后把電路板拉直，都有可能造成‘扭曲破裂’這類的損壞。
在機械力作用下板材彎曲變形時，陶瓷的活動范圍受端位及焊點限制，破裂就會在陶瓷的端接界面處形成，這種破裂會從形成的位置開始，從45°角向端接蔓延開來。
（３）原材失效
多層陶瓷電容器通常具有2大類類足以損害產(chǎn)品可靠性的基本可見內(nèi)部缺陷：
電極間失效及結合線破裂燃燒破裂。
這些缺陷都會造成電流過量，因而損害到組件的可靠性，詳細說明如下：
1、電極間失效及結合線破裂主要由陶瓷的高空隙，或電介質(zhì)層與相對電極間存在的空隙引起，使電極間是電介質(zhì)層裂開，成為潛伏性的漏電危機；
2、燃燒破裂的特性與電極垂直，且一般源自電極邊緣或終端。假如顯示出破裂是垂直的話，則它們應是由燃燒所引起；
備注：原材失效類中第一種失效因平行電容內(nèi)部層結構分離程度不易測出，第三種垂直結構金相則能保證測出
結論：
由熱擊所造成的破裂會由表面蔓延至組件內(nèi)部，而過大的機械性張力所引起的損害，則可由組件表面或內(nèi)部形成，這些破損均會以近乎45°角的方向蔓延，至于原材失效，則會帶來與內(nèi)部電極垂直或平行的破裂。
另外：熱擊破裂一般由一個端接蔓延至另一個端接﹐由取放機造成的破裂﹐則在端接下面出現(xiàn)多個破裂點﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則只有一個破裂點。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，我們選擇陶瓷電容的體積越大，越容易機械失效。
如果避免失效呢:
措施一、禁止選擇1210以上封裝的陶瓷電容，優(yōu)選1206封裝以下的陶瓷電容。
措施二、所有陶瓷電容必須遠離PCB板容易變形的位置：板邊、散熱器安裝孔附近、螺釘孔附近……
我們按照這個電源模塊的需求，進行選型：耐壓50V、10uF的陶瓷電容，封裝在1206的。
備選廠家有：
我們從符合規(guī)格的廠家中選擇了質(zhì)量和價格相對都比較好的；
村田、TDK的質(zhì)量都比較好。
風華的電容可以跟TDK做比較的。
三星的是所有電容中最便宜的，也是比較不穩(wěn)定的。
更便宜的話就是潮州市三環(huán)陶瓷電容有限公司。
但是都是上市公司。
雖然10uF的陶瓷電容，標稱的：10uF、耐壓50V，封裝體積小于等于1206，但是我們知道陶瓷電容的電壓依耐性，也就是說電壓越高，其有效容值會下降。查看datasheet，觸目驚心：
當我們的輸入電壓為12V的時候，其實電容呈現(xiàn)出來的電容值，只有4uF
再考慮溫度因素：
此時電容值顯得更不理想。
這時候，我們是不是開始糾結了，是增加陶瓷電容的數(shù)量呢？還是回頭去選擇鋁電解電容？
推薦閱讀：
