BUCK电路的输出电容怎么选型?

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描述

01 TPS54561DPRT规格书应用实例

TPS54561DPRT规格书 8.2.1.2.4 Output Capacitor

输出电容

上图所示,是TPS54561DPRT规格书中针对buck电路输出电容选型的描述。可见,(35)(36)(37)三个公式对输出电容量的要求分别为62.5uF、44.1uF和19.9uF,所以输出端针对电容量,要求不小于62.5uF。公式(38)计算了输出电容ESR需要小于15.7mOHM,公式(39)计算了输出电容RMS电流为459mA,实际选择的输出电容的RMS电流需要大于459mA,才可以满足设计要求。

输出电容

上图所示,3*47uF,10V耐压,ESR为5mOHM,期望的容值为87.4uF,是可以满足输出电容最小值为62.5uF等要求的。

本篇,我们来具体分析下buck电路中输出电容的选型步骤或方法...

02 输出电容取值的考量因素

(1)首先,要满足电路设计需求中的动态响应(负载调整率的要求),即负载由“轻”到“重”时,为负载提供足够的能量,而不使输出电压产生较大的下冲(undershoot),即负载变化时输出电压的变化量不超过目标值。

(2)其次,当负载由“重”到“轻”时,能够吸收功率电感上储存的能量,而不使输出电压产生较大的上冲(overshoot),即将输出电压上的过冲抑制在设计需求之内。

(3)再次,要满足电路设计需求中的纹波电压范围,将纹波电压“钳位”在设计需求之内。比如,设计需求输出纹波电压峰峰值为100mV,按照相应的设计方法选择输出电容种类和容值大小,使得输出端的纹波电压峰峰值不超过100mV,就是这里所谓“钳位”的意思,与钳位二极管将电压钳位在一定的水平类似。

以上三点,分别对应着前文所述TPS54561DPRT规格书中(35)(36)(37)三个公式。

(4)最后,所选型的电容,容值、ESR和均方根电流都要满足设计需求。

03 输出电容选型的具体步骤

(1)满足负载由“轻”到“重”的动态响应需求,即抑制负载阶跃时的输出电压变化量所需的电容器容值大小

具有较小ESR的陶瓷电容不需要考虑进负载阶跃计算中;但是,具有较高ESR的电解电容和钽电容则必须被考虑进负载阶跃计算中。公式35计算了满足设计参数中负载调整率而需要的最小电容,即负载阶跃从1.25A至3.75A变化时,输出电压变化量不超过4%或4% * 5.0V = 200mV。

输出电容

这里,开关频率400kHz是在“4.2 如何配置开关频率的大小?”章节进行配置的。

(2)满足负载由“重”到“轻”的动态响应需求,即抑制输出电压上的过冲所需的电容器容值大小

此例中,根据设计需求,最坏情况下的负载阶跃为IOH=3.75A(重负载下的输出电流)至IOL=1.25A(轻负载下的输出电流),在此期间,因为负载电流是减小的,储存在电感中的多余能量将临时转移到输出电容上,导致输出电压增加。我们要求此时输出电压增加量不超过输出电压的4%,即输出电压上冲后允许的最大值为(1+4%) * 5.0V = 5.2V,这就是峰值输出电压Vf。因为稳态时输出电压是Vout=5.0V,所以初始电容电压Vi=5.0V。

公式36计算了将输出电压过冲保持在所需值的最小电容,其中LO是电感的值,IOH是重负载下的输出电流,IOL是轻负载下的输出电流,Vf是峰值输出电压,Vi是初始电压。

输出电容

基于以上数据,计算得到所需的输出电容为44.118uF。其中,功率电感7.2uH是在“5.6 功率电感的选型”章节中进行配置的。

(3)满足电路设计需求中的纹波电压范围,即抑制输出电压上的纹波电压所需的电容器容值大小

此例中,我们将输出电容种类确定为陶瓷电容MLCC,所以由陶瓷电容ESL和ESR导致的纹波电压分量可以忽略不计,输出端的纹波电压主要由电容充放电导致。

当功率电感取值7.2uH时,输出端纹波电流为 ΔIL = [ 5V * ( 60V - 5V )] / ( 60V * 7.2uH * 400kHz ) = 1.59A。根据设计需求,纹波电压大小为 ΔVripple(C) = 0.5% * 5V = 25mV。

由 “3.2.4.4 输出电容COUT纹波电压”计算公式 ΔVripple(C) = ΔIL / ( 8 * Cout * Fsw ) 可知,在已知纹波电压大小0.025V、纹波电流大小1.59A和开关频率400kHz的情况下,就可以计算出所需输出电容的容值大小,如下所示:

输出电容

(4)输出电容串联等效电阻ESR的要求

如第5.6章节所述,“降压电路中功率电感上的纹波电流会被后级的输出电容吸收或过滤”,只要输出电容有ESR这个参数,电流与电阻的乘积就是电压,即输出电容ESR引起的纹波电压的表达式 ΔVripple(ESR) = ΔIL * ESR。

此例中,要求正常工作时的纹波电压不超过 0.5% * 5.0V = 25mV,前文已知纹波电流为1.591A,所以此例允许的最大ESR计算如下:

输出电容

(5)输出电容RMS电流的要求,计算输出电容上均方根电流的大小

根据“3.3.11.3 输出电容的有效电流”章节内容,输出电容上均方根电流的计算公式为 Ico,rms = ΔIL / sqrt(12) ,且前文已知纹波电流大小为1.591A,所以此例中输出电容上的均方根电流大小如下:

输出电容

(6)输出电容选型的其他要求

① 输出电容的额定电压至少是输出电压的1.25 ~ 1.5倍。

② 更低ESR,X5R或更好材质的陶瓷电容,钽电解电容或铝电解电容。一般来说,ESR大小顺序是,陶瓷电容 < 钽电解电容 < 铝电解电容。

③ 当需要使用较大容值(如220uF – 3300uF)的钽电容器或铝电解电容器时,最好将容值减倍后两个电容并联,且并联0.1uF陶瓷电容,这样相当于多个ESR/ESL并联,可以降低整体ESR/ESL。ESR越小,纹波电压越小;ESL越小,EMI越小。

④ 还有一个常识是,在使用带极性的钽电容器或铝电解电容器时,正极接电源VCC,负极接电源GND。这在原理图设计时比较容易做到,但是在实际进行电源电路测试或调试时就需要注意极性是否有接反,否则可能会向下图那样爆炸了。

输出电容

04 输出电容选型的结果

综上所述,要求输出电容量大于62.5uF,ESR小于15.7mOHM,RMS电流大于459mA。且由输出电压为5V可知,输出电容的耐压可取7.5V以上。下图所示TPS54561DPRT规格书实例电路,输出电容C6,C7和C9总体容值为3*47uF=141uF,大于62.5uF,满足设计需求。实际可选择的电容型号为Murata GRM32ER61C476ME15L(CAP, CERM, 47uF, 16V, +/-20%, X5R, 1210)。

输出电容

因为陶瓷电容器的容值随温度和直流偏压而变化很大,所以在进行降压电路输出电容和输入电容选型时,通常选择X5R或X7R介电材料(因为它们具有高电容体积比,并且在整个温度范围内更加稳定)的陶瓷电容器,同时必须考虑其直流偏压特性(电容器的有效值随着电容器两端直流偏压的增加而减小)。

下图所示,是GRM32ER61C476ME15#电容的参数和直流偏压特性曲线,在DC Bias为5V时,其容值变化率约为-42%;也就是说,该47uF容值的电容,其两端电压为5V时,实际容值仅剩余47uF*(1-42%)=27.26uF。使用此例中所需的最小容值62.5uF除以5V偏压后的实际容值27.26uF,即可得到所需电容的数量,即62.5uF/27.26uF=2.293,所以输出端至少需要3颗陶瓷电容GRM32ER61C476ME15#(静电容量47μF ±20%,额定电压16Vdc,温度特性X5R),才能满足设计需求。

输出电容

输出电容

最后需要说明的是 ,由于陶瓷电容MLCC的ESR参数通常小到可以忽略,所以输出端电容类型只有陶瓷电容MLCC的话,可以忽略ESR和RMS电流这两个参数。比如此例中允许的最大ESR 15.7mΩ 与均方根电流459mA 的乘积为 15.713mΩ * 459mA = 7.212 mV,可见由此引起的输出电压变化量是比较小的,可以忽略。

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