從0到1設計BUCK(7)：BUCK降壓電路輸出電容選型方法1

01、/ 簡介 /

圖 0.1 非同步BUCK轉換器拓撲

圖 0.1所示，是（TPS54561DPRT）非同步BUCK轉換器拓撲，已經內置了高邊開關管，關鍵的外圍元件包括功率電感、續(xù)流二極管、輸出電容和輸入電容。

[?從0到1設計BUCK(5) | 電流紋波系數(shù)選擇，功率電感計算優(yōu)化指南?]完成了功率電感選型，[?從0到1設計BUCK(6) | 非同步BUCK降壓電路續(xù)流二極管選型準則?]完成了續(xù)流二極管選型。

此文進行輸出電容選型，上篇。

02、/?輸出電容取值的考量因素 /

(1)?首先，要滿足電路設計需求中的動態(tài)響應（負載調整率的要求），即負載由“輕”到“重”時，為負載提供足夠的能量，而不使輸出電壓產生較大的下沖（Undershoot），即負載變化時輸出電壓的變化量不超過目標值。

(2)?其次，當負載由“重”到“輕”時，能夠吸收功率電感上儲存的能量，而不使輸出電壓產生較大的上沖（Overshoot），將輸出電壓上的過沖抑制在設計需求之內。

(3)?再次，要滿足電路設計需求中的紋波電壓范圍，將紋波電壓“鉗位”在設計需求之內。

比如，設計需求輸出紋波電壓峰峰值為100mV，按照相應的設計方法選擇輸出電容種類和容值大小，使得輸出端的紋波電壓峰峰值不超過100mV，就是這里所謂“鉗位”的意思，與鉗位二極管將電壓鉗位在一定的水平類似。

(4)?最后，所選型的電容，容值、ESR和均方根電流都要滿足設計需求。

03、/?滿足負載由“輕”到“重”的動態(tài)響應需求 /

具有較小ESR的陶瓷電容不需要考慮進負載階躍計算中；但是，具有較高ESR的電解電容和鉭電容則必須被考慮進負載階躍計算中。

參考TPS54561規(guī)格書，公式35計算了滿足設計參數(shù)中負載調整率而需要的最小電容，即負載階躍從1.25A至3.75A變化時，輸出電壓變化量不超過4%或4% * 5.0V = 200mV。

這里， 400kHz開關頻率配置方法，參考[?從0到1設計BUCK(4) | BUCK電路開關頻率配置實戰(zhàn)解析?]。

04、/?滿足負載由“重”到“輕”的動態(tài)響應需求 /

參考[?從0到1設計BUCK(2) | 為什么要設計電路？電源工程師必知的電路設計第一步！?]，此例中，根據(jù)設計需求“表1 TPS54561DPRT參考電路實例的設計需求”，最壞情況下的負載階躍為IOH=3.75A（重負載下的輸出電流）至IOL=1.25A（輕負載下的輸出電流），在此期間，因為負載電流是減小的，儲存在電感中的多余能量將臨時轉移到輸出電容上，導致輸出電壓增加。

我們要求此時輸出電壓增加量不超過輸出電壓的4%，即輸出電壓上沖后允許的最大值為(1+4%) * 5.0V = 5.2V，這就是峰值輸出電壓Vf。因為穩(wěn)態(tài)時輸出電壓是Vout=5.0V，所以初始電容電壓Vi=5.0V。

參考TPS54561規(guī)格書，公式36計算了將輸出電壓過沖保持在所需值的最小電容，其中LO是電感的值，IOH是重負載下的輸出電流，IOL是輕負載下的輸出電流，Vf是峰值輸出電壓，Vi是初始電壓。

基于以上數(shù)據(jù)，計算得到所需的輸出電容為44.118uF。其中，功率電感7.2uH是在[?從0到1設計BUCK(5) | 電流紋波系數(shù)選擇，功率電感計算優(yōu)化指南?]中進行配置的。

05、/?滿足電路設計需求中的紋波電壓范圍 /

此例中，我們將輸出電容種類確定為陶瓷電容MLCC，所以由陶瓷電容ESL和ESR導致的紋波電壓分量可以忽略不計，輸出端的紋波電壓主要由電容充放電導致。

當功率電感取值7.2uH時，輸出端紋波電流為 ΔIL = [ 5V * ( 60V - 5V )] / ( 60V * 7.2uH * 400kHz ) = 1.59A。根據(jù)設計需求，紋波電壓大小為 ΔVripple(C) = 0.5% * 5V = 25mV。

由 《開關電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應用》“3.2.4.4 輸出電容COUT紋波電壓”計算公式 ΔVripple(C) = ?ΔIL / ( 8 * Cout * Fsw ) 可知，在已知紋波電壓大小0.025V、紋波電流大小1.59A和開關頻率400kHz的情況下，就可以計算出所需輸出電容的容值大小，如下所示：