如何为电压调节器设计选择合适的电容

模块化DC-DC开关电压转换器（或稳压器）是完全集成的器件，可以消除电源设计的大部分复杂性 - 但并非全部。设计工程师可自行决定的关键领域之一是选择能量存储和滤波电路的元件和布局。原则上，这些看似简单的电路包括一些电阻器，电容器和储能元件，通常是电感器。但是，这种简单性掩盖了与开关稳压器相关的绝大多数问题无关的事实。与模块本身，而不是在输入滤波器和能量存储和滤波电路中不正确使用电容器。选择错误类型的电容器，使所需电容稍微不正确或错位无源器件会导致功能完善的稳压器模块产生过多的电磁干扰（EMI）。在更糟糕的情况下，选择不良的电容会导致良好的电压调节器变得不稳定并过早失效。

本文介绍如何为模块化电压调节器的外部电路选择正确的电容器，并描述如果出现问题，可能会出现问题。做出了糟糕的选择。

处理EMI

开关稳压器因其高效灵活而受到欢迎。但是，需要权衡利弊。芯片更昂贵，占用更多空间，对负载变化具有相对慢的瞬态响应，并且由于开关操作，可能难以防止来自开关电路的EMI辐射到输入和输出侧。解决EMI的最佳方法是针对源，在开关稳压器中通常是功率场效应晶体管（FET），特别是当它关闭时。图1显示了一个基本的降压（“降压”）稳压器。当功率FET（“Q1”）导通时，电流如箭头所示在电路周围流动。当Q1关断时，最靠近Q1的电感器末端的电压被强制摆动为负，直到二极管通过导通来响应以保持通过电感器的电流恒定。但是，由于二极管无法在零时间内导通，因此当二极管最终导通时，电压会超过二极管压降，然后产生纹波（或“振铃”）。即使使用肖特基二极管，寄生走线电感仍会引起一些波纹。这种波纹在20-100 MHz范围内产生EMI。

图1：基本降压开关电压调节器电路，显示Q1导通时的电流（德州仪器提供）。 》一种经过验证的减少由振铃引起的EMI的方法是增加一个RC“缓冲器”，包括一个陶瓷电容器和碳膜电阻器，靠近FET，如图2所示。缓冲器起作用，因为当FET关闭并停止采购时在电流中，缓冲电容器提供足够的电流，使得通过电感器的电流变化速率减慢，从而降低了二极管中波纹的发生率。适当选择缓冲电路的元件值，它们将抑制确实发生的任何波纹。

图2：RC缓冲电路有助于降低功率FET的EMI辐射（“Q1 “）（由德州仪器公司提供）。

RC缓冲电路可将整体稳压器效率降低几个百分点。在轻负载时效率损失最多，因为缓冲器中消耗的功率相对恒定且与输出负载电流无关。¹（一些较新的开关稳压器模块将RC缓冲器集成到芯片中，为设计工程师节省了任务提出合适的电路。）

除了降低EMI的RC缓冲电路外，设计工程师还需要在器件的前端选择一个电容器，以最大限度地减少由不连续引起的输入电压变化。开关电压调节器的输入电流。

选择该电容时，输入电容的值不是主要考虑因素。而它是RMS电流和额定电压。

输入电容（CIN）的RMS电流可以通过以下公式计算：

其中D是PWM方波占空比。

最坏的情况发生在D = 50％（即VIN = 2 x VOUT），产生IIN，RMS = IOUT/2.

大容量输入电容的等效串联电阻（ESR）会导致器件在此RMS电流下发热。更高的ESR会增加发热量，因此一个好的起点是在预算的限制范围内指定一个ESR尽可能低的器件。

陶瓷和钽电容器都适合作为开关稳压器电路的输入电容器。选择额定电压至少为最大输入电压1.5倍的陶瓷电容器。如果选择钽电容，则应选择额定电压至少为最大输入电压两倍的电压。

建议使用与大容量电容并联的小型陶瓷电容用于高频去耦。

LC输出滤波器

电源设计工程师可能选择的最重要的电容器选择是电压调节器LC输出滤波器的元件选择。该电路的工作是在其输入端（开关节点）对电压方波进行滤波，以在其输出端产生恒定的稳压电压（VOUT）。

在稳态条件下的降压转换器中，平均电流为电感（IL）等于输出电流IOUT。由于输入是方波，电感电流不是恒定的，而是随着输入电压的接通和断开而在最大值和最小值之间波动。最大值和最小值之间的差值（ΔIL）称为峰峰值电感电流纹波（图3）。

图3：响应电压输入的电感电流纹波方波。

在LC输出滤波器中，电容的作用是保持恒定的输出电压（VOUT）并限制任何电压尖峰。实际上，实际上不可能消除目标值附近的电压变化，这表现为最大值和最小值之间的振荡，其差值（ΔVOUT）称为峰峰值电压纹波。电压纹波是电感纹波电流，开关频率和输出电容ESR的函数。

设计工程师应根据应用指定电路的最大电流和电压纹波。通常选择电感器以保持纹波电流小于额定直流电流的20％至30％。敏感的现代硅电路需要更严格地控制电压纹波，通常在5-100 mV范围内。图4显示了提供2.0 V输出的降压稳压器的可接受电压纹波曲线。

图4：降低电压纹波可改善下游电路性能（德州仪器公司提供）。

选择开关稳压器输出滤波器的最佳电容并非易事。然而，一个好的起点是估计给定输出电压纹波的最大ESR和最小电容。 ESR可以通过以下公式计算：

最小输出电容（COUT）可通过以下公式估算：

其中ΔVOUT，过冲是输出上允许的最大电压过冲和IL，max是最大电感电流。但是，输出电容的选择还有一些。如果不考虑输入“纹波电流额定值”，即使具有明显正确ESR的器件也会出现过热现象。长时间暴露在高温下会导致设备的液体电解质逐渐蒸发通过密封，从而提高ESR，并在恶性循环中导致更多的加热，从而导致电容下降并最终导致故障。核心温升应限制在5-10°C以防止此类损坏。

输出滤波电路电容的功耗（PCAP）为：

IRMS是输入纹波电流。换句话说，对于给定的ESR，内部温升与纹波电流的平方成正比。重要的是要注意，纹波电流额定值可以在技术，制造商之间变化很大和给定电容的电压。高纹波额定电容器往往具有低ESR，更大的表面积和高传热常数。与较短的脂肪装置相同体积的高电容器可以更好地散热，因为热量更容易从核心传递到壳体。尽管如此，与ESR额定值相比，电容器尺寸对于不同的电容器技术甚至在来自不同制造商的相同技术之间也存在很大差异。在进行选择之前，建议设计工程师仔细熟悉一个入围设备的规格表。

另一个重要因素是将输出电容放置在PCB上。保持高频开关电路的走线短路以最小化EMI是个好主意。确保电容器不要太靠近热源（如二极管）也是一个好主意，因为这可能会使设备的内部温度更高。³

寻求指导

设计工程师希望获得正确的外部电容，以便与市场上的许多开关稳压器模块配合使用，随时可以获得帮助。

附带并描述模块制造商产品的规格表通常包括建议电容值的应用电路。器件的输入和输出滤波器电路。

请考虑德州仪器（TI）的TPS53318。该芯片是同步降压开关稳压器，具有250 kHz-1 MHz的可调开关频率。该器件具有宽转换输入电压范围（4.5-25 V），极低的外部元件数，自动跳过模式操作，内部软启动控制，无需补偿。 TPS51462的输出电压范围为0.6-5.5 V（输出电流高达8 A），采用5 x 6 mm，22引脚QFN封装。

TI TPS53318数据表提供了一个应用电路图和公司有助于建议输出滤波器电路的典型电容值。此外，数据手册还包括一个非常详细的设计步骤，描述了如何选择电感，设置输出电压，确定输出电容，以及检查给定输出电容的电源输出稳定性。

凌力尔特公司的LTC3549开关降压稳压器数据手册包括一个应用电路，建议输入和输出电容值（图5）。

图5：凌力尔特公司LTC3549的应用电路建议输入和输出电容的值。

数据手册还包括一些关于外部元件选择的方便设计技巧，例如指出纹波电流额定值通常仅基于2，000小时的寿命，因此指定它是有意义的温度比所需温度高的电容器。此外，凌力尔特公司的规格表建议，由于LTC3549的控制环路不依赖于电容器的ESR以实现稳定工作，因此可以使用陶瓷器件（小心）以实现极低输出纹波和小电路尺寸。

LTC3549采用2.25 MHz的固定工作频率。 1.6-5.5 V输入电压范围使该器件非常适用于单节锂离子电池，锂金属电池，碱性电池，镍镉电池或镍氢电池供电应用。突发模式操作可以是用户启用的，可以提高轻负载时的效率，进一步延长电池寿命。

就其本身而言，STMicroelectronics解释说输入电容必须具有高于最大RMS输入电流和ESR值的RMS电流额定值符合ST1S31同步降压型开关稳压器数据手册中的预期效率。此外，数据表建议在陶瓷（MLCC）电容器的输出侧，电压纹波的电容分量在电阻器中占优势，而对于电解电容器则相反。该公司的数据手册包括计算电容值的所有相关公式，并提供有关哪些制造商提供合适元件的建议。

ST1S31是一款内部补偿，1.5 MHz同步降压稳压器，工作电压为2.8-5.5 V，将输出电压从VIN调节至低至0.8 V.该芯片具有峰值电流模式控制和内部补偿功能，据称可提供非常紧凑的解决方案，且元件数量最少。该器件采用3 x 3 mm，8引脚VFDFPN和SO8封装。

电源设计的关键部分

考虑到现代开关电压转换器模块的复杂性，可选择输入和输出电容器芯片的滤波器和储能电路似乎是电源设计的一个微不足道的部分。然而，事实并非如此。不正确的技术，尺寸，电容或ESR选择可以看出低电容最多会破坏电路的效率，最坏的情况会导致产品过早失效。建议的方法是使用供应商数据表中提供的大量信息来计算初始电容和ESR值，然后使用多种技术中的几种替代器件测试原型电路。