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閱讀：24發(fā)布時間：2026-6-22
將電解電容器替換為MLCC的指南修訂
MLCC電容器
積層貼片陶瓷片式電容器
一直以來，鋁電解電容器和鉭電解電容器都廣泛用于需要較大電容的平滑應(yīng)用和去耦應(yīng)用。隨著今年來MLCC的大容量化，在電源電路中的各種電解電容器正在被MLCC取代。因為替換為MLCC可獲得諸多優(yōu)勢，比如可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間；低ESR（等效串聯(lián)電阻），可有效降低紋波電壓；自發(fā)熱更少，可提高可靠性。
值得注意的是，低ESR雖然是MLCC的優(yōu)點之一，但也會也會引起異常振蕩和反諧振。而且高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC的電容在施加直流電壓是會發(fā)生變化。
本指南將為您介紹將電解電容器替換為MLCC的優(yōu)點和注意事項。
目錄
替換為MLCC：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容器
各種電容器的主要特征
替換為MLCC的優(yōu)點
優(yōu)點1：可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間
優(yōu)點2：自發(fā)熱更少
優(yōu)點3：降低紋波電壓
通過增加鋁電解電容器的電容來降低紋波電壓是否有效？
替換為MLCC時的注意事項
注意事項1：直流偏置（施加直流電壓）特性
注意事項2：異常振蕩
注意事項3：反諧振
替換為MLCC時的推薦產(chǎn)品
產(chǎn)品支持
總結(jié)
替換為MLCC：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容器
近年來，隨著IC（集成電路）的高度集成化，電源的電壓越來越低。此外，由于IC的多功能化，功耗隨之增加，所需電流也越來越大。為了應(yīng)對低電壓、大電流化的問題，分布式電源系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，其中需要在負載附近部署多個小型DC-DC轉(zhuǎn)換器（POL轉(zhuǎn)換器），比如從中間母線到轉(zhuǎn)換器的IC。
DC-DC轉(zhuǎn)換器中會使用多個電容器。其中特別是用于平滑的輸出電容器所需容量較大，傳統(tǒng)上多使用鋁電解電容器和鉭電解電容器。但是，由于電解電容器的尺寸較大，所以很難減少占板空間，另外還存在紋波電流導(dǎo)致的自發(fā)熱大等缺點。
鑒于此，替換為MLCC是一個明智選擇。相較于電解電容器，MLCC具有更小尺寸，更低剖面和更低ESR的優(yōu)點。
圖1為電子設(shè)備中常用的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路。藍色標記部分為將電解電容器替換為MLCC的輸出電容器。
圖1：降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本電路
各種電容器的主要特征
下面展示代表性電容器MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征。
表1：MLCC、鉭電解電容器、鋁電解電容器的主要特征
MLCC
鉭電解電容器
鋁電解電容器的主要特征
優(yōu)點?小型/低剖面
?低ESR可降低紋波電壓,減少自發(fā)熱量
?無極性?大容量
?良好的直流偏置特性?大容量
?良好的直流偏置特性
?價格低
注意事項?低ESR是優(yōu)點,但也會引起異常振蕩和反諧振
?高介電常數(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)品受直流偏置(施加 直流電壓)影響,電容會發(fā)生變化
?ESR 較高
?紋波電壓和自發(fā)熱量都較大?尺寸較大
?ESR 較高
?紋波電壓、自發(fā)熱量較大
?高溫對產(chǎn)品壽命的影響較大
MLCC具有可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間，通過低ESR來降低紋波電壓，進而通過自發(fā)熱更少來提高可靠性等各種優(yōu)點。
另一方面，作為MLCC的優(yōu)點低ESR也會引起異常振蕩和反諧振。另外，需要注意的是，高介電常數(shù)系統(tǒng)（種類2）的MLCC具有當施加直流電壓時電容發(fā)生變化的特性。
替換為MLCC的優(yōu)點
優(yōu)點1：可實現(xiàn)小型化和低剖面化，有助于減少占板空間
通過替換為比鋁電解電容器更小、更矮的MLCC，可以節(jié)省電路基板的空間。
圖2：MLCC與鋁電解電容器的尺寸比較
優(yōu)點2：自發(fā)熱更少
首先展示47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器、功能性聚合物鋁電解電容器的阻抗、ESR頻率特性。
MLCC的阻抗和ESR的特性值都很低。
圖3：各種電容器(47μF)的阻抗、ESR頻率特性
另外，電容器的自發(fā)熱量(P) 由電容器的ESR和紋波電流 (I) 通過下列公式表示。
自發(fā)熱量（P） = ESR x 電流:I2 (式1)
自發(fā)熱量:由于P與ESR成比例，因此可以看出低ESR的MLCC的自發(fā)熱量小，ESR比MLCC高的各種電解電容器的自發(fā)熱量比MLCC大。
另外，電容器的產(chǎn)品壽命會受到溫度的影響。一般已知，如果使用溫度升高10℃，產(chǎn)品的壽命就會減少1/2，即“10℃2倍定律"。紋波電流導(dǎo)致的自發(fā)熱量變大會縮短產(chǎn)品的壽命。另外，通常鋁電解電容器的產(chǎn)品壽命約為10年。
圖4：各種電容器的自發(fā)熱量
優(yōu)點3：降低紋波電壓
?驗證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓
用下面的評價系統(tǒng)測量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
輸出電容器使用了47μF的MLCC、鋁電解電容器、鉭電解電容器和功能性聚合物鋁電解電容器。
圖5：用各種電容器（47 μ F）驗證降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓
下表顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開關(guān)頻率：300kHz時的ESR。
紋波電壓和ESR都顯示出了MLCC的值。
表2：各種電容器（47μF）的輸出電壓波形
紋波電壓和ESR的關(guān)系用下列公式表示。通過此公式可知降低ESR對于降低紋波電壓是有效的，低ESR的MLCC是有利的。
另外，功能性聚合物鋁電解電容器在電解質(zhì)中使用導(dǎo)電聚合物來降低ESR，與普通鋁電解電容器相比，紋波電壓有所降低，但一般尺寸稍大，價格也高。
通過增加鋁電解電容器的電容來降低紋波電壓是否有效？
我們對鋁電解電容器的電容與紋波電壓的關(guān)系進行了評估。
首先展示MLCC 47μF和普通鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗和ESR頻率特性。
圖6：MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的阻抗、ESR頻率特性
并且，在與圖5相同的評價系統(tǒng)中，在輸出電容器中使用MLCC 47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的條件下，測量了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
結(jié)果顯示了各種電容器的輸出電壓波形和一般開關(guān)頻率(300kHz)下的ESR。根據(jù)結(jié)果可知隨著鋁電解電容器的電容的增加紋波電壓降低，但降低幅度變小。
圖7：MLCC47μF和鋁電解電容器47μF、100μF、330μF的輸出電壓波形
如果用式2來考慮其理由，可理解為雖然電容增加會導(dǎo)致紋波電壓降低，但其影響比ESR小。
因此可理解為鋁電解電容器的電容增加難以有效地降低紋波電壓。
替換為MLCC時的注意事項
關(guān)于從電解電容器替換為MLCC時的注意事項，將為您介紹直流偏置（施加直流電壓）特性，異常振蕩和反諧振。
注意事項1：直流偏置（施加直流電壓）特性
高介電常數(shù)系統(tǒng)（類型2）的MLCC具有當施加直流電壓時電容發(fā)生變化的特性，這種特性被稱為直流偏置（施加直流電壓）特性。
因此，在MLCC上施加直流電壓使用時，必須考慮直流偏置特性。
圖8：高介電常數(shù)MLCC的直流偏置特性示例
注意事項2：異常振蕩
作為MLCC的優(yōu)點的低ESR，也可能會導(dǎo)致DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不穩(wěn)定或異常振蕩。
DC-DC轉(zhuǎn)換器將輸出電壓與基準電壓進行比較，用誤差放大器放大其誤差部分并使其進行負反饋，從而得到相對穩(wěn)定的直流電壓。
此時，平滑電路的電感器和電容器會產(chǎn)生信號的相位延遲。相位延遲接近180°時，會變成正反饋的狀態(tài)，導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定和異常振蕩。
圖9：直流-直流轉(zhuǎn)換器負反饋電路
?防止異常振蕩的相位補償
波特圖是判斷負反饋是否穩(wěn)定工作的方法。波特圖的橫軸是頻率，縱軸是增益和相位。
電感器和電容器引發(fā)的相位延遲接近180°時為正反饋，輸出趨于不穩(wěn)定。另一方面，即使相位延遲為180°，通過使增益為1以下（0dB以下），也可以收斂信號，防止異常振蕩。
因此，為了減少相位延遲，在誤差放大器的周圍連接電容器和電阻，通過消除相位延遲進行調(diào)整。這稱為相位補償。
在輸出電容器使用高ESR的鋁電解電容器的現(xiàn)有設(shè)計中沒有問題，但在低ESR的MLCC中補償不足，有時會引起異常振蕩，因此需要注意。
圖10：波特圖(增益?相位-頻率特性)
圖11：相位補償電路
另請參閱“面向電源電路的MLCC解決方案（輸出電容器的結(jié)構(gòu)驗證）"。
解決指南
面向電源電路的MLCC解決方案（輸出電容器的構(gòu)成驗證）
注意事項3：反諧振
此外，在去耦應(yīng)用中使用低ESR的MLCC時也需要注意。
通常在大電流、低電壓下工作的IC去耦用電容器中，多個電容器并聯(lián)連接。在去耦應(yīng)用中，理想情況是使用在寬頻帶下低阻抗的電容器，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
多個電容器并聯(lián)連接，通常作為大電流和低電壓下操作的IC的去耦電容器。在去耦應(yīng)用中，具有寬頻帶低阻抗的電容器是理想的，但MLCC的阻抗頻率特性表現(xiàn)為V形。
V形底部的頻率稱為自諧振頻率（SRF）。SRF不同的MLCC并聯(lián)連接安裝后，MLCC的電容分量和寄生電感分量將形成LC并聯(lián)諧振電路。這個現(xiàn)象是反諧振。
由于反諧振會產(chǎn)生強烈的阻抗峰值，因此其頻率會降低噪聲消除效果。其結(jié)果是電源電壓不穩(wěn)定，有時會引起電路故障。
圖12：在去耦應(yīng)用中并聯(lián)有多個電容器
圖13:MLCC的并聯(lián)引起的反諧振
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