如何為降壓變換器去選取合適的輸入電容呢？

簡(jiǎn)介：

EMI的干擾和認(rèn)證在整個(gè)電力電子行業(yè)應(yīng)用中都是一個(gè)痛點(diǎn)，對(duì)于Buck型變換器而言，由于其輸入電流是斷續(xù)的，并且具有較高的di/dt，如果沒有輸入電容，紋波電流完全由上一級(jí)的供電電源提供，PCB板上的寄生電阻和電感會(huì)產(chǎn)生高的電壓紋波影響器件的正常工作。紋波環(huán)流導(dǎo)致了傳導(dǎo)增加以及EMI輻射，放置輸入電容可以吸收紋波電流同時(shí)在瞬態(tài)可以穩(wěn)定總線電壓。

近些年，功率MOSFET技術(shù)快速發(fā)展，第三代新型半導(dǎo)體使得開關(guān)速度大幅度提升，因此減小Buck變換器的輸入電壓紋波變得更加有挑戰(zhàn)性。此篇文章以Buck變換器為例，論述了如何去選取合適的輸入電容。

設(shè)計(jì)參數(shù)：

• 輸出電壓，Vo = 1.2V
• 最大負(fù)載電流，Io = 6A
• 最大負(fù)載時(shí)的效率，η = 87%
• 開關(guān)頻率，fSW = 600kHz
• DC輸入總線電壓，12V+-5%
• 最大輸入電壓，16V
• 變換器控制帶寬為6kHz
• 瞬態(tài)階躍電流，Istep = 3A
• 最高板載溫度，75°C

設(shè)計(jì)目標(biāo)：

• 允許的輸入紋波電壓，ΔVIN_PP ≤ 0.24 V
• 允許的輸入過沖和下沖幅值，ΔVIN_Tran ≤ 0.36 V

電容電壓的選取要考慮穩(wěn)定性和安全裕度，以本例為例，輸入電容的額定電壓至少要在25V以上。以下的論述內(nèi)容會(huì)以電氣性能、熱需求以及小尺寸封裝和成本為方向。

圖1 Buck變換器的基本拓?fù)?/p>

1.旁路輸入紋波電流：

在種類眾多的電容中，多層陶瓷電容（MLCC）是吸收紋波電流的首要選擇。在選取時(shí)，首先要考慮紋波電壓和紋波電流。表1中的五款不同的陶瓷電容，由于有直流偏置電壓，實(shí)際的電容值并不等于其標(biāo)稱的額定值。

表1 五款電容的關(guān)鍵電氣參數(shù)

圖2 輸入紋波電流和紋波電壓

圖2是流過輸入電容的紋波電流和紋波電壓，此處假設(shè)紋波電流全部由陶瓷電容吸收，并且忽略其寄生的等效電阻ESR。公式1用來計(jì)算滿足紋波要求的有效電容，此列中，最惡劣工況發(fā)生在最大占空比：

占空比D由公式2來計(jì)算，此例中，占空比D的變化范圍為8.6%~12.1%：

通過公式1的計(jì)算可得，輸入電容的有效電容值大于4.43uF，考慮到10%的電容誤差，最終選取4.92uF以上，12V的電容。圖3表明了電容的有效電容值隨著直流偏置的變化情況。

圖3 陶瓷電容vs直流偏置電壓

除了紋波電壓，陶瓷電容還應(yīng)該考慮熱應(yīng)力的需求。首先要計(jì)算紋波電流的有效值，圖4表明了輸入紋波電流有效值/負(fù)載電流與占空比D之間的關(guān)系。

圖4 輸入紋波電流有效值/負(fù)載電流vs占空比D

對(duì)于此例，最大輸入紋波電流有效值發(fā)生在滿載、占空比12.1%，通過公式3可以求得輸入紋波電流有效值最大為1.97A。

由于最大板載溫度為75°C，X5R的MLCC額定溫度為85°C，因此允許的電容溫升僅僅為10°C。圖5表明了不同陶瓷電容的溫升特性。

圖5 陶瓷電容的溫度特性

根據(jù)圖3和圖5，兩個(gè)B電容和一個(gè)A電容滿足電氣和熱應(yīng)力特性。兩種選擇都滿足小尺寸低成本的要求，因此加入另外一個(gè)考量因素-ESL，圖6表明了五款電容的等效ESL。

圖6 不同貼片陶瓷電容的等效電感

通過查詢圖6可知，兩個(gè)B電容并聯(lián)的ESL是0.3nH，一個(gè)A電容的ESL是0.5nH。兩個(gè)B電容并聯(lián)后的有效電容是6uF，在10°C溫升的情況下最大紋波電流有效值是5.2A，滿足要求。

2.用低ESL的陶瓷電容來消除電壓振鈴

隨著器件開關(guān)特性的提升，開關(guān)損耗明顯得到減少，但是伴隨來的就是高di/dt以及寄生參數(shù)導(dǎo)致的電壓震蕩，其中陶瓷電容的ESL就是一個(gè)主要原因，因此降低輸入電容的ESL是重中之重。這個(gè)可以通過并聯(lián)一個(gè)具有低ESL的小電容來解決。盡管在實(shí)際應(yīng)用中，ESL伴隨材料和結(jié)構(gòu)一直存在，但是我們通常認(rèn)為，小尺寸的電容具有低的ESL。如圖6。對(duì)于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓震蕩，通用的做法是降低開關(guān)速度，但是會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。

圖7是用兩個(gè)B電容做輸入電容的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，工況是輸入16V，負(fù)載電流為6A，通過觀察電壓震蕩的幅值為22.7V。

圖7 無額外小電容的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形

在相同的測(cè)試條件下，選用一顆D電容并聯(lián)在輸入端，電壓震蕩從22.7V降低到20.5V，在沒有犧牲效率的情況下得到了顯著的改善。如圖8所示。

圖8 并聯(lián)小電容的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形

總結(jié)：

陶瓷電容和大電解電容的結(jié)合使用，是一種低成本解決輸入電流紋波和負(fù)載響應(yīng)的方案。