高频降压开关稳压器 | DCDC-Buck电路中 | 各电容的作用及取值计算

最新推荐文章于 2025-04-17 17:34:05 发布

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本文详细介绍了DC-DC转换器中输入储能滤波电容、自举电容和前馈电容的选择策略，包括电解电容与陶瓷电容的比较，以及计算电容值的方法，强调了输出电压纹波控制和负载响应的重要性。

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1、输入储能滤波电容

输入电容器（ $C_{in}$ ）可采用电解、钽或陶瓷电容。当采用电解或钽电容器时，尽量靠近IC放置一颗品质优良的小陶瓷电容器（例如0.1μF）。当采用陶瓷电容器时，确保其具有足够的电容以提供足够的电荷，以防止输入时产生过多的电压纹波。

由电容引起的输入电压纹波可以根据以下估算公式：
$\Delta V_{in}=\frac{I_{out}\times D\times \left ( 1-D \right )}{C_{in}\times f_{s}}$

确定的纹波大小满足供电要求后由此输入电容容值计算：

$C_{in}=\frac{D\times I_{out} \times \left ( 1-D \right )}{\Delta V_{in}\times f_{s}}$

占空比 $D=\frac{V_{out}}{V_{in}\times \eta }$ 、开关频率 $f_{s}$ 、效率 $\eta$ （为计算简化为整体 $V_{in}=V_{in}\times \eta$ ）。

a. 电压参数计算

$V_{out}=0.5\times V_{in}$ 占空比D=0.5时，输入电压纹波最大：

$\Delta V_{in}=\frac{I_{out}\times D\times \left ( 1-D \right )}{C_{in}\times f_{s}}=\frac{I_{out}}{C_{in}\times f_{s}}\times \frac{V_{out}}{V_{in}}\times \left ( 1-\frac{V_{out}}{V_{in}} \right )=\frac{I_{out}}{C_{in}\times f_{s}}\times \frac{1}{4}$

简化后输入电容容值计算：

$C_{in}=\frac{I_{out}}{\Delta V_{in}\times f_{s}\times 4}$

b. 电流参数计算

当 $V_{out}=0.5\times V_{in}$ 占空比D=0.5时电流纹波最大。在降压变换器中，输入电流是不连续的，因此在选择电容时必须考虑输入电容上的电流应力。对于降压电路，输入电容电流的均方根值可通过以下公式计算：

$I_{cin,rms}=I_{out}\times \sqrt{\frac{V_{out}}{V_{in}}\times\left ( 1-\frac{V_{out}}{V_{in}} \right )} =0.5\times I_{out}$

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。

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。

2、自举电容

给内部上管 MOSFET 驱动供电，连接一个自举电容在 BST 和 SW 之间。自举电容( $C_{bst}$ )推荐使用0.1 uF或更大的陶瓷电容。对于输入电压接近输出电压的应用，建议使用较大的电容，通常为0.1 uF至1 uF，以确保内部开关有足够的栅极驱动和持续的低RpsoN。推荐使用介电等级为X7R或X5R，额定电压为10v或更高的陶瓷电容器，因为它在温度和电压下具有稳定的特性。

3、前馈电容

它是与反馈分压电阻中上端电阻并联的可选电容。

无前馈电容时的输出电压：

$Vout=V_{FB}\times \frac{R1+R2}{R2}$ 。

引入前馈电容时的输出电压：

$Vout=V_{FB}\times \frac{R1// \frac{1}{2\pi f\times C_{fb}}+R2}{R2}$ ；其中 $\frac{1}{2\pi f\times C_{fb}}$ 为前馈电容容抗。

从输出电压公式可知，不同的频率，输出电压不同。频率越大，输出电压就越小；反之，频率越小，输出电压就越小。当频率为零时相当于纯直流电，此时电容容抗为无穷大，电容相当于断开，和无前馈电容情况一样了。因此输出电压随频率改变而改变，这就是为什么前馈电容能够改善输出纹波的原因，它能够起到抑制纹波的作用。当负载电路突然增大时，有了前馈电容的引入会更快的响应调整输出电压，从而达到改善动态响应的效果。

$R_{1}$ 、 $C_{fb}$ 并联形成的零点频率： $f_{z}=\frac{1}{2\pi \times R_{1}\times C_{fb}}$

$R_{1}$ 、 $R_{2}$ 、 $C_{fb}$ 形成的极点频率： $f_{p}=\frac{1}{2\pi \times \left ( R_{1} //R_{2}\right )\times C_{fb}}$

无前馈电容时的穿越频率： $f_{c}=\sqrt{f_{z}\times f_{p}}$ ，通常穿越频率设置大约为开关频率的十分之一。

前馈电容容值计算：

$C_{fb}=\frac{1}{2\pi \times \sqrt{\frac{R_{2}}{R_{1}\dotplus R_{2}}}\times R_{1}\times f_{c}}$

4、输出储能滤波电容

使用陶瓷电容时，开关频率处的阻抗主要由电容来决定。输出电压纹波主要由电容值产生。为简化计算，其输出电压纹波的计算公式推导如下：

$\Delta V_{out}=\frac{V_{out}}{8\times f_{s}^{2}\times L\times C_{out}}\times \left ( 1-\frac{V_{out}}{V_{in}} \right )$

使用钽或电解电容器时，开关频率处的阻抗主要由ESR决定。为简化计算输出电压纹波可以根据公式来估算：

$\Delta V_{out}=\frac{V_{out}}{f_{s}\times L}\times \left ( 1-\frac{V_{out}}{V_{in}} \right )\times R_{ESR}$

$R_{ESR}=\left | \frac{1}{\omega C_{out}} \right |\times \tan \delta$ ，损失角正切值 $\tan \delta$ 。

例如：

$V_{out}=5V$ ， $C_{out}=220uF$

$R_{ESR}=\frac{1}{2\pi \times 120H_{z}\times 220uF^{-6}}\times 0.26=1.568\mho$

当然dcdc电源中开关频率不会只有120Hz这么低，频率高时 $R_{ESR}$ 变小。

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。输出电容器通常为大容值的电解电容器，其 $R_{ERS}$ 和容值随温度特性较差。若dcdc频率很高，陶瓷电容的自谐振频率，对容量产生影响时，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。