DCDC基础:输入输出电容的选择及计算

目前市面上的电容种类繁多,在为我们的电源电路选择输入输出电容的时候难免会挑花了眼。本文就来浅析一下如何选择输入输出电容及其相关的计算。如有问题,欢迎指正。

1. 电源电路常见电容分类

以下罗列了几种电源电路中常见的电容种类及其特点,以供参考。

2. 输入电容的选择和计算

输入和输出电容是电源电路中非常重要的两个部分。

以BUCK 电路为例 ,由于上管以一定频率的开断,故可以认为BUCK电路的输入电流是不连续的,因此需要输入电容向降压变换器提供交流电流,同时保持直流电压。

a. 电流参数计算

Buck电路中输入电容纹波电流的有效值计算公式推导过程如下:

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根据上图可得:
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由Vo=D*Vin和能量守恒得:
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将(1-1)和(1-3)带入(1-2)得:

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由有效值定义得:
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由上述公式可知当V_o=0.5V_in 即占空比D=0.5时,输入电容纹波电流最大:
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所以,为了简化,选择RMS额定电流大于最大负载电流一半的输入电容器即可

b.电压参数计算
同时,输入电容容值也会影响转换器的输入电压纹波。
由于一个周期内,电容的充电电荷量和放电电荷量必然是一样的。为了简便计算,对充电过程(上管断开时,对输入电容进行充电)进行分析,因为此时充电电流为输入电流,为Iin。
根据电荷量计算公式可得:
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将(1-3)和(1-5)带入(1-4)可得到电压纹波电压计算公式:
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带入之前讨论的最恶劣情况Vo=0.5Vin后,得到:

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由于使用的电容都不可能为理想电容,必定会带来一些寄生参数。如果将ESR带入考虑的话,分析如下

当上管断开时,ESR上面产生的压降时恒定的,为:
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当上管导通时,ESR上产生的最大压降为:
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则一个周期的ESR电压纹波电压为:
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已知
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将(1-7)和(1-8)带入(1-6)得到由ESR带来的输入电压纹波为:
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对于输入电容的种类,一般建议选择X5R、X7R陶瓷介质的MLCC。因为这一类电容成本较低,且它们的温度系数较低(-/+15%左右),即单位温度的变化对电容容值的变化影响小。再根据上述计算公式,按照对输入电压的纹波要求(一般不超过最大输入电压的10%)得到所需电容容值及其RMS额定电流。另外,在选择时还需要注意电容的耐压值必须要高于最大输入电压

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好文,码下 :thinking:

3. 输出电容的选择和计算

了解完输入电容的选择,再来看看选择Buck输出电容时的注意事项。输出电容器需要保持直流输出电压。建议使用陶瓷或POS CAP( 钽电容)

使用陶瓷电容时,开关频率处的阻抗由电容决定。输出电压纹波主要由电容引起。其输出电压纹波的计算公式推导如下:

电容充放电的总电荷量可用电流乘以时间计算,即为上图中三角形的面积
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将(1-8)代入上式,即
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可见,此时输出电容的容值的增大对减小输出电压纹波有益。
在使用POS CAP的情况下,开关频率处的阻抗由ESR决定。由波形图可知,输出电容上的总电流纹波为∆IL。此时,输出电压纹波的计算如下:
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除了考虑输出纹波外,选择容值较大的输出电容也可以获得更好的负载瞬态响应,但在设计应用中还应考虑最大输出电容的限制条件。拥有软启动功能的芯片,如果它的输出电容值过高,输出电压在软启动时间内无法达到设计值,则无法进行调节。这种情况下,最大输出电容值Co_max需要被限制:
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其他电源拓扑输入输出电容的选择可以类似方法推出,或直接查看相应芯片的规格书即可。

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这张图画错了吧?电感电流大于输出电流的时候,不应该是对输出电容充电的过程吗?怎么这个图里面对应的是放电?

Joey,您好,现在的dcdc 频率很高,比如mpq2179 2.4MHz,请问在使用mlcc中,mlcc的自谐振频率,对容量的影响,怎么去选择?10uf 电容通常不到2MHz的自谐振频率。

波形有误,已修改,谢谢指正~

可以选择封装较小的MLCC,或者通过多个电容并联来拓宽应用频率范围。

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