如何為降壓變換器去選取合適的輸入電容呢？

簡介：

EMI的干擾和認證在整個電力電子行業應用中都是一個痛點，對于Buck型變換器而言，由于其輸入電流是斷續的，并且具有較高的di/dt，如果沒有輸入電容，紋波電流完全由上一級的供電電源提供，PCB板上的寄生電阻和電感會產生高的電壓紋波影響器件的正常工作。紋波環流導致了傳導增加以及EMI輻射，放置輸入電容可以吸收紋波電流同時在瞬態可以穩定總線電壓。

近些年，功率MOSFET技術快速發展，第三代新型半導體使得開關速度大幅度提升，因此減小Buck變換器的輸入電壓紋波變得更加有挑戰性。此篇文章以Buck變換器為例，論述了如何去選取合適的輸入電容。

設計參數：

輸出電壓，Vo = 1.2V
最大負載電流，Io = 6A
最大負載時的效率，η = 87%
開關頻率，fSW = 600kHz
DC輸入總線電壓，12V+-5%
最大輸入電壓，16V
變換器控制帶寬為6kHz
瞬態階躍電流，Istep = 3A
最高板載溫度，75°C

設計目標：

允許的輸入紋波電壓，ΔVIN_PP ≤ 0.24 V
允許的輸入過沖和下沖幅值，ΔVIN_Tran ≤ 0.36 V

電容電壓的選取要考慮穩定性和安全裕度，以本例為例，輸入電容的額定電壓至少要在25V以上。以下的論述內容會以電氣性能、熱需求以及小尺寸封裝和成本為方向。

圖1 Buck變換器的基本拓撲

1.旁路輸入紋波電流：

在種類眾多的電容中，多層陶瓷電容（MLCC）是吸收紋波電流的首要選擇。在選取時，首先要考慮紋波電壓和紋波電流。表1中的五款不同的陶瓷電容，由于有直流偏置電壓，實際的電容值并不等于其標稱的額定值。

表1 五款電容的關鍵電氣參數

圖2 輸入紋波電流和紋波電壓

圖2是流過輸入電容的紋波電流和紋波電壓，此處假設紋波電流全部由陶瓷電容吸收，并且忽略其寄生的等效電阻ESR。公式1用來計算滿足紋波要求的有效電容，此列中，最惡劣工況發生在最大占空比：

占空比D由公式2來計算，此例中，占空比D的變化范圍為8.6%~12.1%：

通過公式1的計算可得，輸入電容的有效電容值大于4.43uF，考慮到10%的電容誤差，最終選取4.92uF以上，12V的電容。圖3表明了電容的有效電容值隨著直流偏置的變化情況。

圖3 陶瓷電容vs直流偏置電壓

除了紋波電壓，陶瓷電容還應該考慮熱應力的需求。首先要計算紋波電流的有效值，圖4表明了輸入紋波電流有效值/負載電流與占空比D之間的關系。

圖4 輸入紋波電流有效值/負載電流vs占空比D

對于此例，最大輸入紋波電流有效值發生在滿載、占空比12.1%，通過公式3可以求得輸入紋波電流有效值最大為1.97A。

由于最大板載溫度為75°C，X5R的MLCC額定溫度為85°C，因此允許的電容溫升僅僅為10°C。圖5表明了不同陶瓷電容的溫升特性。

圖5 陶瓷電容的溫度特性

根據圖3和圖5，兩個B電容和一個A電容滿足電氣和熱應力特性。兩種選擇都滿足小尺寸低成本的要求，因此加入另外一個考量因素-ESL，圖6表明了五款電容的等效ESL。

圖6 不同貼片陶瓷電容的等效電感

通過查詢圖6可知，兩個B電容并聯的ESL是0.3nH，一個A電容的ESL是0.5nH。兩個B電容并聯后的有效電容是6uF，在10°C溫升的情況下最大紋波電流有效值是5.2A，滿足要求。

2.用低ESL的陶瓷電容來消除電壓振鈴

隨著器件開關特性的提升，開關損耗明顯得到減少，但是伴隨來的就是高di/dt以及寄生參數導致的電壓震蕩，其中陶瓷電容的ESL就是一個主要原因，因此降低輸入電容的ESL是重中之重。這個可以通過并聯一個具有低ESL的小電容來解決。盡管在實際應用中，ESL伴隨材料和結構一直存在，但是我們通常認為，小尺寸的電容具有低的ESL。如圖6。對于開關節點的電壓震蕩，通用的做法是降低開關速度，但是會影響整個系統的效率。

圖7是用兩個B電容做輸入電容的開關節點波形，工況是輸入16V，負載電流為6A，通過觀察電壓震蕩的幅值為22.7V。