最近在準(zhǔn)備開源的電源設(shè)計(jì),把《電源是怎樣煉成的》相關(guān)內(nèi)容全部開源。所以在做一些器件選型。如下是一個(gè)電容的選型過程。
BUCK型開關(guān)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(hào)：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(jí)），MPQ4420A-DJ-A（汽車級(jí)）
廠家：MPS
開關(guān)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?yàn)槲覀冃枰锰沾呻娙莸牡虴SR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(gè)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(guān)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(huì)導(dǎo)致大量的紋波電流進(jìn)入大電容，這些電流流經(jīng)ESR，會(huì)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(yàn)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(gè)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算：
負(fù)載電流、占空比和開關(guān)頻率是決定輸入紋波電壓大小的幾個(gè)因素。
輸入紋波電壓幅值與輸出負(fù)載電流成正比。最大輸入紋波幅值發(fā)生在最大輸出負(fù)載。此外，電壓紋波的幅度隨開關(guān)電源的占空比變化而變化。
第一步：計(jì)算紋波電流
輸入電流時(shí)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(gè)交流周期的時(shí)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(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)量的各瞬時(shí)值的平方的平均值的平方根，對(duì)于周期量,時(shí)間間隔為一個(gè)周期。
求輸入紋波電流的有效值：
考慮輸出紋波對(duì)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(gè)。
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(shè)計(jì)的規(guī)格：2A
12V輸入、3V3輸出、輸出電流2A、效率90%，計(jì)算：
CMIN=16.8uF
所以，我們可以看到典型設(shè)計(jì)中，放置了兩個(gè)10uF的電容，滿足上述設(shè)計(jì)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(huì)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(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯
優(yōu)點(diǎn)：
(1)體積小
由于鉭電容采用了顆粒很細(xì)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(gè)范圍內(nèi)工作，但電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)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(diǎn)：
(1)耐電壓不夠高
(2)電流小
(3)價(jià)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(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在這個(gè)容量等級(jí)，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(huì)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(yīng)性的問題，還有失效模式的問題，這個(gè)應(yīng)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(yán)重。
鋁電解電容
鋁電解電容的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
(1)大容量電容，相當(dāng)單位體積的容量大。
(2)相當(dāng)單位靜電容的價(jià)格便宜。
(3)酸化皮膜（誘電體）具有自身修復(fù)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(diǎn)：
(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(dòng)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(gè)易失效的模式：機(jī)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(gòu)成，失效形式為金屬電極和陶介之間層錯(cuò)，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(shí)電容時(shí)好時(shí)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(gè)大類
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熱擊失效的原理是：在制造多層陶瓷電容時(shí)，使用各種兼容材料會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)張力的不同熱膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)變率過大時(shí)就容易出現(xiàn)因熱擊而破裂的現(xiàn)象，這種破裂往往從結(jié)構(gòu)最弱及機(jī)械結(jié)構(gòu)最集中時(shí)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(jī)械張力的地方（一般在晶體最堅(jiān)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(huì)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(zhuǎn)變，或于組裝進(jìn)行時(shí)，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(dǎo)致的破裂失效
當(dāng)進(jìn)行零件的取放尤其是SMT階段零件取放時(shí)，取放的定中爪因?yàn)槟p、對(duì)位不準(zhǔn)確，傾斜等造成的。由定中爪集中起來的壓力，會(huì)造成很大的壓力或切斷率，繼而形成破裂點(diǎn)。
這些破裂現(xiàn)象一般為可見的表面裂縫，或2至3個(gè)電極間的內(nèi)部破裂；表面破裂一般會(huì)沿著最強(qiáng)的壓力線及陶瓷位移的方向。
真空檢拾頭導(dǎo)致的損壞或破裂﹐一般會(huì)在芯片的表面形成一個(gè)圓形或半月形的壓痕面積﹐并帶有不圓滑的邊緣。此外﹐這個(gè)半月形或圓形的裂縫直經(jīng)也和吸頭相吻合。
另一個(gè)由吸頭所造成的損環(huán)﹐因拉力而造成的破裂﹐裂縫會(huì)由組件中央的一邊伸展到另一邊﹐這些裂縫可能會(huì)蔓延至組件的另一面﹐并且其粗糙的裂痕可能會(huì)令電容器的底部破損。
第二種、SMT之后生產(chǎn)階段導(dǎo)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(shí)，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(jī)械力作用下板材彎曲變形時(shí)，陶瓷的活動(dòng)范圍受端位及焊點(diǎn)限制，破裂就會(huì)在陶瓷的端接界面處形成，這種破裂會(huì)從形成的位置開始，從45°角向端接蔓延開來。
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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(jié)合線破裂燃燒破裂。
這些缺陷都會(huì)造成電流過量，因而損害到組件的可靠性，詳細(xì)說明如下：
1、電極間失效及結(jié)合線破裂主要由陶瓷的高空隙，或電介質(zhì)層與相對(duì)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(jī)；
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(yīng)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(jié)構(gòu)分離程度不易測出，第三種垂直結(jié)構(gòu)金相則能保證測出
結(jié)論：
由熱擊所造成的破裂會(huì)由表面蔓延至組件內(nèi)部，而過大的機(jī)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(huì)以近乎45°角的方向蔓延，至于原材失效，則會(huì)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(gè)端接蔓延至另一個(gè)端接﹐由取放機(jī)造成的破裂﹐則在端接下面出現(xiàn)多個(gè)破裂點(diǎn)﹐而因電路板扭曲而造成的損壞﹐通常則只有一個(gè)破裂點(diǎn)。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選擇陶瓷電容的體積越大，越容易機(jī)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(yuǎn)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(gè)電源模塊的需求，進(jìn)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(jià)格相對(duì)都比較好的；
硬十的娟娟：
村田、TDK的質(zhì)量都比較好。
風(fēng)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(biāo)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(huì)下降。查看datasheet，觸目驚心：
當(dāng)我們的輸入電壓為12V的時(shí)候，其實(shí)電容呈現(xiàn)出來的電容值，只有4uF
再考慮溫度因素：
此時(shí)電容值顯得更不理想。
這時(shí)候，我們是不是開始糾結(jié)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？
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