降低工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中陶瓷電容器的電源要求

隨著現(xiàn)代工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)電源管理的要求日益嚴(yán)格。陶瓷電容器，尤其是多層陶瓷電容器(MLCC)，在電源管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，隨著汽車(chē)、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)對(duì)電源需求的不斷增加，陶瓷電容器的價(jià)格在過(guò)去幾年中急劇上漲。

陶瓷電容器在電源管理中的作用

陶瓷電容器被廣泛應(yīng)用于電源的輸入和輸出端。在輸出端，它們用于降低輸出紋波，并控制由于高壓擺率負(fù)載瞬變引起的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。在輸入端，陶瓷電容器則用于去耦和過(guò)濾電磁干擾(EMI)，這得益于它們?cè)诟哳l下具有的低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL)。

在高性能的工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度的提升要求更多的耗電器件被集成到微處理器、CPU、片上系統(tǒng)(SoC)、ASIC和FPGA中。這些復(fù)雜器件的每一種都需要多個(gè)穩(wěn)壓電軌，通常包括內(nèi)核電壓0.8V、DDR3和LPDDR4分別為1.2V和1.1V，以及外設(shè)和輔助組件所需的5V、3.3V和1.8V。陶瓷電容器在這些穩(wěn)壓電軌中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保系統(tǒng)在各種負(fù)載條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

陶瓷電容器面臨的挑戰(zhàn)

盡管陶瓷電容器在電源管理中表現(xiàn)出色，但它們也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，隨著汽車(chē)和工業(yè)系統(tǒng)中電源數(shù)量的增加，陶瓷電容器的需求量急劇上升，導(dǎo)致價(jià)格大幅上漲。其次，為了滿足快速負(fù)載瞬變的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)規(guī)范，輸出端需要大量陶瓷電容器來(lái)存儲(chǔ)和提供負(fù)載瞬變產(chǎn)生的大量電流。這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的物料清單(BOM)成本。

此外，傳統(tǒng)的電源管理方法在應(yīng)對(duì)現(xiàn)代系統(tǒng)的高性能要求時(shí)顯得力不從心。整體方案尺寸太大、效率太低、電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜，這些問(wèn)題都需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)解決。

降低電源要求的方法

為了降低工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中陶瓷電容器的電源要求，可以從以下幾個(gè)方面入手：

提高開(kāi)關(guān)頻率：

較高的電源工作(開(kāi)關(guān))頻率可以降低瞬變對(duì)輸出電壓的影響，并降低電容要求和整體解決方案尺寸。然而，較高的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。因此，需要在開(kāi)關(guān)頻率和效率之間找到平衡點(diǎn)。

采用谷電流模式控制的穩(wěn)壓器：

谷電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)TON和TOFF時(shí)間，幾乎可以瞬間滿足負(fù)載瞬變的需求。這樣可以顯著降低輸出電容，以滿足快速響應(yīng)時(shí)間。例如，LTC7151S靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用受控導(dǎo)通時(shí)間(COT)谷電流模式架構(gòu)，能夠在負(fù)載階躍期間快速恢復(fù)輸出電壓，同時(shí)限制過(guò)沖和欠沖在46mV峰峰值以內(nèi)。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：

通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可以減少寄生效應(yīng)，提高開(kāi)關(guān)速度，并降低開(kāi)關(guān)損耗。例如，使用高集成度的穩(wěn)壓器可以使MOSFET、驅(qū)動(dòng)器和熱回路電容器保持緊密連接，從而減少寄生效應(yīng)，并允許以非常窄的死區(qū)時(shí)間快速打開(kāi)/關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

采用高性能材料：

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，可以采用具有更高介電常數(shù)和更低損耗的材料來(lái)制造陶瓷電容器。這些新材料可以提高電容器的性能，降低其體積和重量，從而滿足現(xiàn)代系統(tǒng)對(duì)小型化和高性能的需求。

熱管理優(yōu)化：

有效的熱管理可以確保電容器在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命。例如，LTC7151S穩(wěn)壓器具有熱管理功能，可在高達(dá)20V的輸入電壓下提供高達(dá)15A的可靠和持續(xù)傳輸電流，無(wú)需散熱器或氣流。

集成式EMI濾波器設(shè)計(jì)：

傳統(tǒng)的EMI濾波器設(shè)計(jì)往往復(fù)雜且笨重，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。通過(guò)采用集成式EMI濾波器設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化濾波器結(jié)構(gòu)，降低成本，并提高系統(tǒng)的整體性能。例如，LTC7151S靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用Silent Switcher 2架構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化EMI濾波器設(shè)計(jì)，并通過(guò)集成高性能MOSFET和驅(qū)動(dòng)器來(lái)保持低EMI。

應(yīng)用實(shí)例

以汽車(chē)中的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)為例，ADAS的普及大大提高了陶瓷電容器的使用率。為了滿足ADAS系統(tǒng)對(duì)高性能電源的需求，可以采用上述方法來(lái)降低陶瓷電容器的電源要求。例如，通過(guò)使用谷電流模式控制的穩(wěn)壓器和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可以顯著減少輸出電容的數(shù)量和尺寸，同時(shí)提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

在電信領(lǐng)域，隨著5G技術(shù)的興起，也需要高性能電源來(lái)支持高速數(shù)據(jù)傳輸。陶瓷電容器在5G基站和終端設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)采用高性能材料和優(yōu)化熱管理，可以確保陶瓷電容器在惡劣的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，滿足5G系統(tǒng)對(duì)高可靠性和高性能的需求。

結(jié)論

降低工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中陶瓷電容器的電源要求是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、高效化和可靠化的關(guān)鍵。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率、采用谷電流模式控制的穩(wěn)壓器、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、采用高性能材料、優(yōu)化熱管理以及集成式EMI濾波器設(shè)計(jì)等方法，可以顯著降低陶瓷電容器的電源要求，提高系統(tǒng)的整體性能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，相信未來(lái)會(huì)有更多有效的方法來(lái)降低陶瓷電容器的電源要求，推動(dòng)工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。