同步降压转换器中的输入和输出电容考量因素

电容对于同步降压转换器而言,是个至关重要的组件。由于有着各种各样的电容技术,因此,如图1所示,在设计同步降压转换器时需考虑输入和输出电容的参数。

  

1:同步降压直流/直流转换器

 

电力电容的选择参数如下文表1所示:

 

降压转换器性能特性

需考虑的电容参数

功耗

有效串联电阻(ESR)

电压纹波性能

有效串联电阻(ESR)

负载瞬态(交流)性能

有效串联电感(ESR)

有效串联电阻(ESR)

电容

成本

视技术和供应商而定

尺寸

长、宽、高

可靠性

电容材料

 

1:降压转换器性能 vs. 电容参数

 

下文表2所示为各类技术相关的电容特性。

 

电容技术

ESR

成本

电流额定值

标准铝电解电容

OSCON电容

POSCAP电容

钽质电容

陶瓷电容

非常低

非常高

 

2:相关电容特性

 

电容阻抗与频率的比值也非常重要,因为它决定了降压转换器将电容作为储能容器而非感应器的开关频率。阻抗可受电容的ESR(有效串联电阻)和ESL(有效串联电感)影响,且看起来像一个U形曲线,如图2所示。图2中所示的自谐振频率是电容开始用作感应器的频率(示例为10uF电容)。理想状态下,我们希望降压转换器以电容区域的开关频率进行开关操作。

 

我们可以使用电容组合使阻抗曲线“变平”,以在推高降压转换器的开关频率的同时,使其仍处于电容区域内。电容阻抗因技术和开关频率而异。

 

2:电容阻抗与开关频率之比

 

那么,如何选择输入和输出滤波器选择电容呢?

 

对于输入滤波器,你需要选择一个电容来处理输入交流电流(纹波)和输入电压纹波。

 

对于输出滤波器,你需要选择一个电容来处理负载瞬态,并将输出电压纹波降至最低。

 

图3所示方程为确定电容可以承受的输入电流RMS(均方根)电流。根据输入电压、输入电流RMS电流,以及输入电压峰-峰纹波,您可以根据电容数据表选择电容。建议将铝电解电容(AlEl)和陶瓷电容结合使用。陶瓷电容的ESR较低,且能够降低输入电压峰-峰纹波,这反过来又能够减少输入大电容所需处理的输入纹波电流。

 

3:输入电容RMS电流的计算

 

下文表3所示为输出电容的选择标准:

 

电容参数

负载瞬态性能

输出电压纹波

大电容(用于储能和将能量向负载侧传递)

主要作用

主要作用

ESR

主要作用

主要作用

ESL

主要作用

次要作用

 

3:输出电容的标准

 

下文图4所示为每个输出电容元件对降压转换器负载瞬态性能的作用机制

 

4:电容的负载瞬态性能标准

 

如下文图5-6所示,电容的输出电压过冲、下冲和峰-峰电压纹波计算值可用于确定电容。

 

5:确定输出电压下冲和过冲用输出电容

 

 

6:确定输出电压峰-峰纹波处理用输出电容

 

以下所示为输出电容的一个选择示例:

 

输出电容

 

  • 2A~10A负载阶跃 @ 15A/ms
  • 使用2x 1000 mF铝质电解电容器:19mW ESR
  • PLOSS = (3.32/2)2 x 19/2 x 10-3 = 0.024W]
  • 为了帮助降低尖峰,加入两个10 mF陶瓷电容器(1210),分别为0.8mW ESR、1.1nH ESL
  • 该选择方案能够提供:
  • 1.7mV输出电压下冲
  • 10.7mV输出电压上冲
  • 19.9mV电压尖峰
  • 2.8mV输出电压峰-峰纹波

 

所以,设计降压转换器时,记住这些电容选择标准,您就可以设计出高性能、稳定且可靠的解决方案了!尝试在您的下一个直流/直流供电设计中使用一款TI的降压转换器降压控制器产品吧!

 

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/11/18/input-and-output-capacitor-considerations-in-a-synchronous-buck-converter