如何为降压变换器去选取合适的输入电容呢？

简介：

EMI的干扰和认证在整个电力电子行业应用中都是一个痛点，对于Buck型变换器而言，由于其输入电流是断续的，并且具有较高的di/dt，如果没有输入电容，纹波电流完全由上一级的供电电源提供，PCB板上的寄生电阻和电感会产生高的电压纹波影响器件的正常工作。纹波环流导致了传导增加以及EMI辐射，放置输入电容可以吸收纹波电流同时在瞬态可以稳定总线电压。

近些年，功率MOSFET技术快速发展，第三代新型半导体使得开关速度大幅度提升，因此减小Buck变换器的输入电压纹波变得更加有挑战性。此篇文章以Buck变换器为例，论述了如何去选取合适的输入电容。

设计参数：

• 输出电压，Vo = 1.2V
• 最大负载电流，Io = 6A
• 最大负载时的效率，η = 87%
• 开关频率，fSW = 600kHz
• DC输入总线电压，12V+-5%
• 最大输入电压，16V
• 变换器控制带宽为6kHz
• 瞬态阶跃电流，Istep = 3A
• 最高板载温度，75°C

设计目标：

• 允许的输入纹波电压，ΔVIN_PP ≤ 0.24 V
• 允许的输入过冲和下冲幅值，ΔVIN_Tran ≤ 0.36 V

电容电压的选取要考虑稳定性和安全裕度，以本例为例，输入电容的额定电压至少要在25V以上。以下的论述内容会以电气性能、热需求以及小尺寸封装和成本为方向。

图1 Buck变换器的基本拓扑

1.旁路输入纹波电流：

在种类众多的电容中，多层陶瓷电容（MLCC）是吸收纹波电流的首要选择。在选取时，首先要考虑纹波电压和纹波电流。表1中的五款不同的陶瓷电容，由于有直流偏置电压，实际的电容值并不等于其标称的额定值。

表1 五款电容的关键电气参数

图2 输入纹波电流和纹波电压

图2是流过输入电容的纹波电流和纹波电压，此处假设纹波电流全部由陶瓷电容吸收，并且忽略其寄生的等效电阻ESR。公式1用来计算满足纹波要求的有效电容，此列中，最恶劣工况发生在最大占空比：

占空比D由公式2来计算，此例中，占空比D的变化范围为8.6%~12.1%：

通过公式1的计算可得，输入电容的有效电容值大于4.43uF，考虑到10%的电容误差，最终选取4.92uF以上，12V的电容。图3表明了电容的有效电容值随着直流偏置的变化情况。

图3 陶瓷电容vs直流偏置电压

除了纹波电压，陶瓷电容还应该考虑热应力的需求。首先要计算纹波电流的有效值，图4表明了输入纹波电流有效值/负载电流与占空比D之间的关系。

图4 输入纹波电流有效值/负载电流vs占空比D

对于此例，最大输入纹波电流有效值发生在满载、占空比12.1%，通过公式3可以求得输入纹波电流有效值最大为1.97A。

由于最大板载温度为75°C，X5R的MLCC额定温度为85°C，因此允许的电容温升仅仅为10°C。图5表明了不同陶瓷电容的温升特性。

图5 陶瓷电容的温度特性

根据图3和图5，两个B电容和一个A电容满足电气和热应力特性。两种选择都满足小尺寸低成本的要求，因此加入另外一个考量因素-ESL，图6表明了五款电容的等效ESL。

图6 不同贴片陶瓷电容的等效电感

通过查询图6可知，两个B电容并联的ESL是0.3nH，一个A电容的ESL是0.5nH。两个B电容并联后的有效电容是6uF，在10°C温升的情况下最大纹波电流有效值是5.2A，满足要求。

2.用低ESL的陶瓷电容来消除电压振铃

随着器件开关特性的提升，开关损耗明显得到减少，但是伴随来的就是高di/dt以及寄生参数导致的电压震荡，其中陶瓷电容的ESL就是一个主要原因，因此降低输入电容的ESL是重中之重。这个可以通过并联一个具有低ESL的小电容来解决。尽管在实际应用中，ESL伴随材料和结构一直存在，但是我们通常认为，小尺寸的电容具有低的ESL。如图6。对于开关节点的电压震荡，通用的做法是降低开关速度，但是会影响整个系统的效率。

图7是用两个B电容做输入电容的开关节点波形，工况是输入16V，负载电流为6A，通过观察电压震荡的幅值为22.7V。

图7 无额外小电容的开关节点电压波形

在相同的测试条件下，选用一颗D电容并联在输入端，电压震荡从22.7V降低到20.5V，在没有牺牲效率的情况下得到了显著的改善。如图8所示。

图8 并联小电容的开关节点电压波形

总结：

陶瓷电容和大电解电容的结合使用，是一种低成本解决输入电流纹波和负载响应的方案。