作者：John Bottrill，德州仪器电源控制产品部高级应用工程师
对于自举转换器 (boot-strapped converter)
而言，输入电容器可发挥两大操作功能。首先，输入电容器在软启动过程中充当电源，不仅为转换器栅极驱动提供电流源，而且还为软启动过程中连接至集成电路
(IC) 的所有其他电路系统提供电力。
其次，输入电容器能够过滤来自转换器电路或其他电路的噪声。转换器运行时， 控制 IC 的输入电容器可向场效应晶体管 (FET)
的栅极提供高电流脉冲，避免较大的电流瞬变导致 IC 输入产生较大噪声。
上述两大功能要求单个电容同时具备多种特性，而这些特性又往往是彼此不兼容的。
电容器必须被定量为具备较大的能量存储空间能力且其尺寸也必须足够大，以便能够在软启动过程中为系统提供足够的电力能。电容器的类型和大小决定了其在较高频率情况下往往不能提供所需的低阻抗特性。
开关 FET
所需的高频栅极驱动电流要求电容器能够处理高频电流。多层陶瓷电容器则能够提供所需特性。由于系统的高频电气要求，因此电容器必须靠近
IC 且两者间的电感应尽可能小。
在确定大型电容器的尺寸容量时，认识到 IC 需要自己的内部电源也是非常重要的。因为一旦 IC
达到其“开启”电压，其所有内部电路都会通电并开始吸收电流。这些电路包括为开关提供计时功能的振荡器、误差放大器以及用于控制与参考的比较器等。在此之前，各部件不通电。正由于此，我们通常建议同时采用两个电容器。
两个电容器中的其中一个尺寸容量可以相对较小，具备较低的等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)，并可需直接放置在
IC 的电源引脚 (Vcc) 及其接地之间。该电容器能够处理与内外部负载开关（如功率 FET 的栅极驱动）等相关的高频电流。
另一个大型电容器的位置则应根据实际情况靠近 Vcc
和接地。不过，由于该电容器不处理上述高频电流组件，因此其位置并不十分关键。该电容在启动过程中提供所需的大部分电力。
研究转换器的启动程序有助于确定一些潜在的问题。首先，我们假定只需要一个体积较小的高频电容器。这时，在仅使用较小电容器的情况下，相关结果强调指出，我们应当另外再采用一个大型电容器。
为了便于分析，我们假定驱动一个每次“开启”均需要 60 纳库 (nanocoloumb) 的栅极驱动电荷且工作频率为 100
kHz 的 FET。这就是说，一旦电路通电，栅极驱动本身的电流就为 6 毫安。有关计算公式如下：
60 纳库X 100 kHz = 6 毫安
若假定总的软启动时间为 10 毫秒，那么 FET 驱动电流加上 IC 的 6 毫安内部电流（总共 12
毫安）可用于确定压降。UCC2817 的最小磁滞电压滞环 (hysterisis) 为 5.8 伏。0.1uF 的 Vcc
电容能否足以在软启动过程中为 IC 供电呢？（如果最小磁滞电压滞环未知，那么应使用最小的打开电压和最高的关闭电压，根据欠压锁定
(UVLO) 数据来确定最小磁滞电压滞环值）。
如果这个问题的答案是否定的，则表明 0.1uF 的 Vcc 电容不够。在软启动时间为 10 毫秒，电流为 12 毫安的情况下，
0.1uF 的电容电压将改变 1,200V。即便电容为 10 uF，电压的改变也会为 12V。在这种情况下，我们将需要 100
uF 的电容，这时的 Vcc 压降为 1.2V。现在，我们了解到，IC 和 FET 需要 100 uF
的电容才能处理启动过程中的功耗。
不过，研究一个高频开关周期后，该怎样判断 0.1 uF 电容器上的电压纹波呢？由于影响 100 uF 电容器高频特性的ESR 和
ESL通常较低，因此我们常常忽略大型电容器。Vcc 引脚上将出现波纹电压，且与接地引脚相关。FET
转换产生的纹波电压由以下方程式得出：
[(60 纳库／0.1uF) = 0.6 伏]。
除非附近还有另外一个高频电容器或用作高频过滤器的电容更高的电容器，否则栅极充电时，会出现 0.6 伏的负峰值。在此情况下，1
uF 电容器是较好的选择。
应当承认，这似乎是一种极端情况，不过对 UCC2817 等 PFC 控制器而言，这又是很现实的情况。当然，这会导致 100 uF
电容器的充电时间问题（在此不讨论）。
就其他电路而言，比如软启动时间为 500 微秒的电路，其软启动时间短得多，且内部功耗也较低。在采用 UCC28C42
的情况下，最小开启和最大关闭电压分别为 13.5 伏和 10.0 伏，最大 IC 电流消耗为3.0
毫安。假设总的栅极驱动电荷仅为上例中的一半即 30 纳库，且输入电容器的容量为 0.1 uF 的话，那么电压将下降
30V。在此情况下，1.0 uF 的电容器就会产生 3V 的压降。这似乎是可以接受的，一切情况都不错，不过我们还要考虑其他问题。
启动时，1.0 uF电容器上的电压为 13.5 伏。电容器一旦达到该电压值，参考电压引脚上的电容就会上升到 5
伏。如果参考电压引脚上的总电容为 0.1uF，那么电荷传输会使电压进一步下降 0.5
伏。这样，似乎设备刚好具备足够的正常启动所需电力。如果 1.0 uF 电容器的容差较低，那么设备可能就难以正常启动。
设计人员有时采用参考电压 (VREF) 来给其他负载加电。例如，UCC28C42 的 VREF保持其稳压，以便达到 20
毫安的电流。如果 VREF 引脚上加载这种负载，那么输入电容器的大小应能够处理软启动过程中额外的电流，因为最终会从 VDD（IC
的输入电源引脚）电容器吸收电流。为了将输入压降限制在 2.6 伏并确保安全启动，我们需要 4.7 uF 的VDD 电容器。但如果
4.7 uF 电容器的容值偏差为 +/-20%，那么设备有时可能难以正常启动，因为当容值偏差为 -20% 时，总压降可能超过
3.5 伏。
结论：
在为电源控制 IC 选择输入电容器时，首先要采取几个步骤。第一，要明确使转换器电压上升至全电压并能从自举线圈向 IC
提供电流需要多大电力。第二，要明确电容器上的负载会产生什么样的瞬态波动效应。
此外，必须估算电力能。电力能主要包括来自 IC 的电容器总负载（包括 VREF 和其他Vcc 线路负载）、驱动要求的以及 IC
的工作电流等。将 VREF 电容提升到一定电压所需的电荷也要考虑到，因为要从 Vcc 电容来吸收电流。
下一步，就要明确 IC 的最小开启和最大关闭电压，也就是众所周知的 UVLO 阈值或最小磁滞电压滞环。
最后，要明确从开始启动到完成启动所需的最长时间。同时，还要记住考虑电容器的容值的偏差问题。
上述三大步骤将明确最小需要什么样的大型电容器。在选择高频电容器时，不仅要分析 IC
上小型电容器应提供的高频电流，而且还要分析从负载或 FET 栅极吸收的电流脉冲产生的电压波动。
只有考虑到上述全部因素，我们才能设计出安全可靠的 IC 输入电容器，满足自举电源转换器的相关要求。 |