ZHCAA82B April 2017 – April 2021 CSD95490Q5MC , TPS40140 , TPS40322 , TPS40422 , TPS40425 , TPS40428 , TPS51631 , TPS53622 , TPS53631 , TPS53632 , TPS53641 , TPS53647 , TPS53659 , TPS53661 , TPS53667 , TPS53679 , TPS53681
计算输出电容时需要同时考虑应用对直流纹波和交流瞬态规格的要求。如前所述,交流瞬态的要求通常比直流纹波规格更高,并规定了需要的总输出电容量。就像选择输入电容器一样,混合使用 MLCC 和大容量电容器。
陶瓷电容器将转换器的输出阻抗保持在较低水平,这样控制回路才能在快速瞬变期间进行响应,以尽量减少过冲和下冲。大容量电容器为输出电压提供足够的电荷库,以便在控制器将电感电流提升至全新负载电流水平时保持在公差范围内。
Equation5假设电容器网络中的 ESR 和 ESL 最小,处理直流纹波所需的输出电容量可使用 计算。在这个公式中,IPP 是转换器单相的纹波电流(使用 150nH 电感值计算),由于在单相操作中无法消除电感电流,这是非常糟糕的情况。
图 5-2Equation6 和Equation9 到 解释了计算处理负载瞬变所需的启动电容值的原理。在负载阶跃过程中,电感 L 或 LEQ(取决于总相数)需要一些时间 tUndershoot),才能转换到高电流水平。此时,当 VOUT 低于其设定值时,从输出电容器中拉出的电荷量等于 QUndershoot 。负载释放时,电感器中的过量电荷 QOvershoot 在时间 tOvershoot 内倾入输出电容器,导致 VOUT 在其调节点以上摆动。
在计算出 QOvershoot 和 QUndershoot 之后,只需将电荷除以 VOUT 上的允许摆幅即可求出输出电容。图 5-3当前设计规定了必须考虑的直流负载线,如 中所示。Equation10Equation11对于负载阶跃,处理应用最大瞬态所需的总电容在 中计算,对于负载释放,则在 中计算。对于没有直流负载线的应用,只需设置 DCLL = 0 即可。
比较 CRipple、CUndershoot 和 COvershoot 的计算值,负载释放决定了将 VOUT 保持在规定范围内所需的电容量。COvershoot 比 CUndershoot 大得多,因为在负载释放过程中,处理器需要的能量较少,因此存储在电感器中的任何多余能量都会转移至输出电容器,引起 VOUT 过冲。在一个负载阶跃中,处理器从电容器中提取能量,而储存在电感器中的能量会将电容器再填满,这有助于减少下冲。
表 5-4表 5-5 和 用于提供一个混合输出电容器以满足瞬态要求,同时平衡元件数量和 BOM 成本。表 5-4表 5-5 比较了几种常用电容器的价格和规格,而 则考察了满足所需要求并可作为设计起点的电容器的组合。根据试验结果,可以调整电容器的数量和类型。每个选项的总电容设置为高于 COvershoot,以提供裕度并导致 MLCC 的降额。每个电容器上的直流偏置低于调节器输入侧的直流偏置,因此降额较少,而电容器仍保留大部分标称电容。
电容类型 | 电容 | 技术规格 | 价格/千件 |
---|---|---|---|
陶瓷 | 22µF | 0805、6.3V、X5R | 0.054 美元 |
陶瓷 | 47µF | 0805、6.3V、X5R | 0.131 美元 |
有机聚合物 | 470µF | V 形外壳、2.5V、6mΩ | 1.357 美元 |
有机聚合物 | 680µF | D 形外壳、2.5V、6mΩ | 2.537 美元 |
电容器组合 | 总电容 | 元件数 | 价格 |
---|---|---|---|
3 × 470µF + 20 × 47µF + 25 × 22µF | 2900µF | 48 | 8.04 美元 |
1 × 680µF + 32 × 47µF + 35 × 22µF | 2950µF | 68 | 8.62 美元 |
2 × 680µF + 20 × 47µF + 20 × 22µF | 2850µF | 47 | 9.04 美元 |
47 × 47µF + 35 × 22µF | 2980µF | 82 | 8.05 美元 |
表 5-5根据,470µF 大容量电容器和 MLCC 的组合在元件数量和价格之间实现最佳平衡。对于会需要全陶瓷解决方案的应用,元件数量大幅增加,但 BOM 成本未必增加。