01 TPS54561DPRT規(guī)格書應(yīng)用實(shí)例

TPS54561DPRT規(guī)格書? 8.2.1.2.4 Output Capacitor

上圖所示，是TPS54561DPRT規(guī)格書中針對(duì)buck電路輸出電容選型的描述。可見，(35)(36)(37)三個(gè)公式對(duì)輸出電容量的要求分別為62.5uF、44.1uF和19.9uF，所以輸出端針對(duì)電容量，要求不小于62.5uF。公式(38)計(jì)算了輸出電容ESR需要小于15.7mOHM，公式(39)計(jì)算了輸出電容RMS電流為459mA，實(shí)際選擇的輸出電容的RMS電流需要大于459mA，才可以滿足設(shè)計(jì)要求。

上圖所示，3*47uF，10V耐壓，ESR為5mOHM，期望的容值為87.4uF，是可以滿足輸出電容最小值為62.5uF等要求的。
本篇，我們來具體分析下buck電路中輸出電容的選型步驟或方法...

02 輸出電容取值的考量因素

（1）首先，要滿足電路設(shè)計(jì)需求中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（負(fù)載調(diào)整率的要求），即負(fù)載由“輕”到“重”時(shí)，為負(fù)載提供足夠的能量，而不使輸出電壓產(chǎn)生較大的下沖（undershoot），即負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化量不超過目標(biāo)值。

（2）其次，當(dāng)負(fù)載由“重”到“輕”時(shí)，能夠吸收功率電感上儲(chǔ)存的能量，而不使輸出電壓產(chǎn)生較大的上沖（overshoot），即將輸出電壓上的過沖抑制在設(shè)計(jì)需求之內(nèi)。

（3）再次，要滿足電路設(shè)計(jì)需求中的紋波電壓范圍，將紋波電壓“鉗位”在設(shè)計(jì)需求之內(nèi)。比如，設(shè)計(jì)需求輸出紋波電壓峰峰值為100mV，按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法選擇輸出電容種類和容值大小，使得輸出端的紋波電壓峰峰值不超過100mV，就是這里所謂“鉗位”的意思，與鉗位二極管將電壓鉗位在一定的水平類似。

以上三點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)著前文所述TPS54561DPRT規(guī)格書中(35)(36)(37)三個(gè)公式。

（4）最后，所選型的電容，容值、ESR和均方根電流都要滿足設(shè)計(jì)需求。

03 輸出電容選型的具體步驟

（1）滿足負(fù)載由“輕”到“重”的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，即抑制負(fù)載階躍時(shí)的輸出電壓變化量所需的電容器容值大小

具有較小ESR的陶瓷電容不需要考慮進(jìn)負(fù)載階躍計(jì)算中；但是，具有較高ESR的電解電容和鉭電容則必須被考慮進(jìn)負(fù)載階躍計(jì)算中。公式35計(jì)算了滿足設(shè)計(jì)參數(shù)中負(fù)載調(diào)整率而需要的最小電容，即負(fù)載階躍從1.25A至3.75A變化時(shí)，輸出電壓變化量不超過4%或4% * 5.0V = 200mV。

這里，開關(guān)頻率400kHz是在“4.2 如何配置開關(guān)頻率的大?。俊闭鹿?jié)進(jìn)行配置的。（2）滿足負(fù)載由“重”到“輕”的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，即抑制輸出電壓上的過沖所需的電容器容值大小此例中，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，最壞情況下的負(fù)載階躍為IOH=3.75A（重負(fù)載下的輸出電流）至IOL=1.25A（輕負(fù)載下的輸出電流），在此期間，因?yàn)樨?fù)載電流是減小的，儲(chǔ)存在電感中的多余能量將臨時(shí)轉(zhuǎn)移到輸出電容上，導(dǎo)致輸出電壓增加。我們要求此時(shí)輸出電壓增加量不超過輸出電壓的4%，即輸出電壓上沖后允許的最大值為(1+4%) * 5.0V = 5.2V，這就是峰值輸出電壓Vf。因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓是Vout=5.0V，所以初始電容電壓Vi=5.0V。公式36計(jì)算了將輸出電壓過沖保持在所需值的最小電容，其中LO是電感的值，IOH是重負(fù)載下的輸出電流，IOL是輕負(fù)載下的輸出電流，Vf是峰值輸出電壓，Vi是初始電壓。

基于以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到所需的輸出電容為44.118uF。其中，功率電感7.2uH是在“5.6 功率電感的選型”章節(jié)中進(jìn)行配置的。（3）滿足電路設(shè)計(jì)需求中的紋波電壓范圍，即抑制輸出電壓上的紋波電壓所需的電容器容值大小此例中，我們將輸出電容種類確定為陶瓷電容MLCC，所以由陶瓷電容ESL和ESR導(dǎo)致的紋波電壓分量可以忽略不計(jì)，輸出端的紋波電壓主要由電容充放電導(dǎo)致。當(dāng)功率電感取值7.2uH時(shí)，輸出端紋波電流為 ΔIL = [ 5V * ( 60V - 5V )] / ( 60V * 7.2uH * 400kHz ) = 1.59A。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，紋波電壓大小為 ΔVripple(C) = 0.5% * 5V = 25mV。由 “3.2.4.4 輸出電容COUT紋波電壓”計(jì)算公式 ΔVripple(C) =? ΔIL / ( 8 * Cout * Fsw ) 可知，在已知紋波電壓大小0.025V、紋波電流大小1.59A和開關(guān)頻率400kHz的情況下，就可以計(jì)算出所需輸出電容的容值大小，如下所示：

（4）輸出電容串聯(lián)等效電阻ESR的要求如第5.6章節(jié)所述，“降壓電路中功率電感上的紋波電流會(huì)被后級(jí)的輸出電容吸收或過濾”，只要輸出電容有ESR這個(gè)參數(shù)，電流與電阻的乘積就是電壓，即輸出電容ESR引起的紋波電壓的表達(dá)式 ΔVripple(ESR) = ΔIL * ESR。此例中，要求正常工作時(shí)的紋波電壓不超過 0.5% * 5.0V = 25mV，前文已知紋波電流為1.591A，所以此例允許的最大ESR計(jì)算如下：

（5）輸出電容RMS電流的要求，計(jì)算輸出電容上均方根電流的大小根據(jù)“3.3.11.3 輸出電容的有效電流”章節(jié)內(nèi)容，輸出電容上均方根電流的計(jì)算公式為 Ico,rms = ΔIL / sqrt(12) ，且前文已知紋波電流大小為1.591A，所以此例中輸出電容上的均方根電流大小如下：

（6）輸出電容選型的其他要求①?輸出電容的額定電壓至少是輸出電壓的1.25 ~ 1.5倍。②?更低ESR，X5R或更好材質(zhì)的陶瓷電容，鉭電解電容或鋁電解電容。一般來說，ESR大小順序是，陶瓷電容 < 鉭電解電容 < 鋁電解電容。③?當(dāng)需要使用較大容值（如220uF – 3300uF）的鉭電容器或鋁電解電容器時(shí)，最好將容值減倍后兩個(gè)電容并聯(lián)，且并聯(lián)0.1uF陶瓷電容，這樣相當(dāng)于多個(gè)ESR/ESL并聯(lián)，可以降低整體ESR/ESL。ESR越小，紋波電壓越??；ESL越小，EMI越小。④?還有一個(gè)常識(shí)是，在使用帶極性的鉭電容器或鋁電解電容器時(shí)，正極接電源VCC，負(fù)極接電源GND。這在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)比較容易做到，但是在實(shí)際進(jìn)行電源電路測(cè)試或調(diào)試時(shí)就需要注意極性是否有接反，否則可能會(huì)向下圖那樣爆炸了。

04 輸出電容選型的結(jié)果

綜上所述，要求輸出電容量大于62.5uF，ESR小于15.7mOHM，RMS電流大于459mA。且由輸出電壓為5V可知，輸出電容的耐壓可取7.5V以上。下圖所示TPS54561DPRT規(guī)格書實(shí)例電路，輸出電容C6，C7和C9總體容值為3*47uF=141uF，大于62.5uF，滿足設(shè)計(jì)需求。實(shí)際可選擇的電容型號(hào)為Murata GRM32ER61C476ME15L(CAP, CERM, 47uF, 16V, +/-20%, X5R, 1210)。

因?yàn)樘沾呻娙萜鞯娜葜惦S溫度和直流偏壓而變化很大，所以在進(jìn)行降壓電路輸出電容和輸入電容選型時(shí)，通常選擇X5R或X7R介電材料（因?yàn)樗鼈兙哂懈唠娙蒹w積比，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更加穩(wěn)定）的陶瓷電容器，同時(shí)必須考慮其直流偏壓特性（電容器的有效值隨著電容器兩端直流偏壓的增加而減小）。

下圖所示，是GRM32ER61C476ME15#電容的參數(shù)和直流偏壓特性曲線，在DC Bias為5V時(shí)，其容值變化率約為-42%；也就是說，該47uF容值的電容，其兩端電壓為5V時(shí)，實(shí)際容值僅剩余47uF*(1-42%)=27.26uF。使用此例中所需的最小容值62.5uF除以5V偏壓后的實(shí)際容值27.26uF，即可得到所需電容的數(shù)量，即62.5uF/27.26uF=2.293，所以輸出端至少需要3顆陶瓷電容GRM32ER61C476ME15#（靜電容量47μF ±20%，額定電壓16Vdc，溫度特性X5R），才能滿足設(shè)計(jì)需求。

最后需要說明的是，由于陶瓷電容MLCC的ESR參數(shù)通常小到可以忽略，所以輸出端電容類型只有陶瓷電容MLCC的話，可以忽略ESR和RMS電流這兩個(gè)參數(shù)。比如此例中允許的最大ESR 15.7mΩ 與均方根電流459mA 的乘積為 15.713mΩ * 459mA = 7.212 mV，可見由此引起的輸出電壓變化量是比較小的，可以忽略。

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