從0到1設(shè)計(jì)BUCK(7) | BUCK降壓電路輸出電容選型方法2

06、輸出電容串聯(lián)等效電阻ESR的要求

根據(jù)《開(kāi)關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“5.5 功率電感選型”章節(jié)所述：

“降壓電路中功率電感上的紋波電流會(huì)被后級(jí)的輸出電容吸收或過(guò)濾”，只要輸出電容有ESR這個(gè)參數(shù)，電流與電阻的乘積就是電壓，即輸出電容ESR引起的紋波電壓的表達(dá)式 ΔVripple(ESR) = ΔIL * ESR。

此例中（參考TPS54561規(guī)格書或者[?從0到1設(shè)計(jì)BUCK(2) | 為什么要設(shè)計(jì)電路？電源工程師必知的電路設(shè)計(jì)第一步！?]設(shè)計(jì)需求），要求正常工作時(shí)的紋波電壓不超過(guò) 0.5% * 5.0V = 25mV，且前文[?從0到1設(shè)計(jì)BUCK(5) | 電流紋波系數(shù)選擇，功率電感計(jì)算優(yōu)化指南?]已知紋波電流為1.591A，所以此例允許的最大ESR計(jì)算如下：

07、輸出電容RMS電流的要求

根據(jù)《開(kāi)關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“3.3.11 輸出電容的瞬時(shí)電流、平均電流和有效電流”章節(jié)內(nèi)容：

輸出電容上均方根電流的計(jì)算公式為 Ico,rms = ΔIL / sqrt(12) ，且前文[?從0到1設(shè)計(jì)BUCK(5) | 電流紋波系數(shù)選擇，功率電感計(jì)算優(yōu)化指南?]已知紋波電流大小為1.591A，所以此例中輸出電容上的均方根電流大小如下：

08、輸出電容選型的其他要求

① 輸出電容的額定電壓至少是輸出電壓的1.25 ~ 1.5倍。

② 更低ESR，X5R或更好材質(zhì)的陶瓷電容，鉭電解電容或鋁電解電容。一般來(lái)說(shuō)，ESR大小順序是，陶瓷電容 < 鉭電解電容 < 鋁電解電容。

③ 當(dāng)需要使用較大容值（如220uF – 3300uF）的鉭電容器或鋁電解電容器時(shí)，最好將容值減倍后兩個(gè)電容并聯(lián)，且并聯(lián)0.1uF陶瓷電容，這樣相當(dāng)于多個(gè)ESR/ESL并聯(lián)，可以降低整體ESR/ESL。ESR越小，紋波電壓越小；ESL越小，EMI越小。

④ 還有一個(gè)常識(shí)是，在使用帶極性的鉭電容器或鋁電解電容器時(shí)，正極接電源VCC，負(fù)極接電源GND。這在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)比較容易做到，但是在實(shí)際進(jìn)行電源電路測(cè)試或調(diào)試時(shí)就需要注意極性是否有接反，否則可能會(huì)向下圖那樣爆炸了。

圖 0.2 帶極性的鉭電容和電解電容

09、輸出電容選型的結(jié)果?

綜上所述，要求輸出電容量大于62.5uF，ESR小于15.7mOHM，RMS電流大于459mA。且由輸出電壓為5V可知，輸出電容的耐壓可取7.5V以上。

圖 0.3 TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例

圖 0.3所示TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例，輸出電容C6，C7和C9總體容值為3*47uF=141uF，大于62.5uF，滿足設(shè)計(jì)需求。實(shí)際可選擇的電容型號(hào)為Murata GRM32ER61C476ME15L(CAP, CERM, 47uF, 16V, +/-20%, X5R, 1210)。

因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/502222.html">陶瓷電容器的容值隨溫度和直流偏壓而變化很大，所以在進(jìn)行降壓電路輸出電容和輸入電容選型時(shí)，通常選擇X5R或X7R介電材料（因?yàn)樗鼈兙哂懈唠娙蒹w積比，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更加穩(wěn)定）的陶瓷電容器，同時(shí)必須考慮其直流偏壓特性（電容器的有效值隨著電容器兩端直流偏壓的增加而減?。?/p>

圖 0.4 GRM32ER61C476ME15#電容的參數(shù)

圖 0.5 GRM32ER61C476ME15#電容的直流偏壓特性

圖 0.4和圖 0.5所示，是GRM32ER61C476ME15#電容的參數(shù)和直流偏壓特性曲線，在DC Bias為5V時(shí)，其容值變化率約為-42%；也就是說(shuō)，該47uF容值的電容，其兩端電壓為5V時(shí)，實(shí)際容值僅剩余47uF*(1-42%)=27.26uF。

使用此例中所需的最小容值62.5uF除以5V偏壓后的實(shí)際容值27.26uF，即可得到所需電容的數(shù)量，即62.5uF/27.26uF=2.293，所以輸出端至少需要3顆陶瓷電容GRM32ER61C476ME15#（靜電容量47μF ±20%，額定電壓16Vdc，溫度特性X5R），才能滿足設(shè)計(jì)需求。

最后需要說(shuō)明的是，由于陶瓷電容MLCC的ESR參數(shù)通常小到可以忽略，所以輸出端電容類型只有陶瓷電容MLCC的話，可以忽略ESR和RMS電流這兩個(gè)參數(shù)。

比如此例中允許的最大ESR 15.7mΩ 與均方根電流459mA 的乘積為 15.713mΩ * 459mA = 7.212 mV，可見(jiàn)由此引起的輸出電壓變化量是比較小的，可以忽略。