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降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容選擇

作者: 時間:2012-02-12 來源:網(wǎng)絡 收藏

就目前而言常常被忽略的輸入電容,對于一種成功的設計來說更為重要。其高頻特性和布局將決定設計的成功與否。在選擇和布局輸出電容方面,確實有更大的自由度。即便是在滿足輸出噪聲要求方面,選擇和布局輸入電容也很重要。

  輸入電容相關應力比輸出電容相關應力要更大,主要表現(xiàn)在兩個方面。輸入電容會承受更高的電流變化率,其布局和選擇對限制主開關電壓應力以及限制進入系統(tǒng)的噪聲至關重要。另外,它更高的均方根 (RMS) 電流應力和潛在的組件發(fā)熱使得這種選擇對整體可靠性而言更加重要。

  電流的快速變化率

  應力的第一個方面是快速電流變化率即dI/dT,其表現(xiàn)為所有內(nèi)部或雜散電感的電壓。這會給輸入電容供電運行的開關或鉗位二極管帶來過電壓應力,并將高頻噪聲輻射到系統(tǒng)中。

  高側(cè)開關關閉時電流為零,開啟時為滿負載電流。輸入電容會承受一個從零到滿負載的方波電流?,F(xiàn)代 MOSFET 以及隨后旁路電容中的電流上升時間均為 5 ns 數(shù)量級。這種快速的電流變化率 (dI/dT),乘以總雜散電感 (L),在開關上形成電壓尖峰。另一方面,輸出電容承受的是一種,經(jīng)輸出扼流圈平流并受扼流圈峰至峰電流限制的電流波形。一般而言,輸出扼流圈紋波電流被設計限定到滿負載電流的 40% 或更小的電流。

  就 500 kHz、10% 占空比下運行的降壓而言,其意味著 40% 負載電流的上升時間為 200 ns。也就是說,5 ns 上升 100% 比 200 ns 上升 40% 的電流變化率高 100 倍。就給定電感的電壓而言,情況也是如此。對一些高占空比或低輸出扼流圈紋波電流的設計來說,這種比率遠不止 100 倍。

  電容的 RMS 電流

  應力的第二個方面是 RMS 電流。該電流的平方并乘以相關電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 后得出的結果是熱量。過熱會縮短組件壽命,甚至引發(fā)災難性的故障。

  輸入電容的 RMS 電流等于負載電流乘以 (D*(1-D))的平方根,其中 D 為降壓開關的占空比。就 5-V 輸入和 1.2-V 輸出而言,D約為1/4,而 RMS 電流為 43% 輸出電流。同步整流的 12-V 輸入和 1-V 輸出情況下,D 約為 1/10,而 RMS 電流為輸出電流的 30%。另一方面,鋸齒形輸出電容電流的 RMS 電流等于電感的峰至峰紋波電流除以 √12。對于一種 40% 負載電流電感峰至峰紋波電流的降壓設計來說,輸出電容的 RMS 電流只是輸出電流的 12%,即比輸入電容電流小 2.5 倍。

  電容電感和 ESR

  表面貼裝陶瓷電容的一般封裝尺寸從 0603 到 1210(公制尺寸 1608 到3225)不等。通過 AVX 應用手冊,我們知道電感一般為約 1 nH。就一般 2917(公制尺寸7343)封裝尺寸的芯片型鉭電容和電解質(zhì)電容而言,電感約為 4 到7 nH。其中,導線尺寸起了很重要的作用。

  1210 封裝尺寸、6.3-V 到 16-V 額定電壓陶瓷電容的 ESR 約為 1 到 2 mΩ。芯片型鉭電容具有一個 50 到 150 mΩ 的典型 ESR 范圍。這就決定了防止過熱的最大允許 RMS 電流。盡管 1210 封裝尺寸的陶瓷電容可應對 3 A RMS,但是最佳鉭電容尺寸 1210 只能處理 0.5 A 的電流,而更大的 2917 尺寸則可以處理約 1.7 A 的電流。最近,一種多陽極鉭電容已開始供貨,其電感和電阻降低了一半。

  設計考慮

  設計實例(請參見圖 1)所示電路顯示了一個 6 A 電流下 1.2V 到 12 V 輸入電壓的電路。它使用一個運行在 300 kHz 的控制器(TPS40190)。用戶優(yōu)先考慮方面是低成本和簡單的材料清單 (BOM)。輸入和輸出電容的給定標準為 1210 封裝的 22-μF、16-V 陶瓷電容。這些電容可以處理 3 A RMS,并且發(fā)熱最小。就輸入電容而言,用戶一般不關注電壓紋波,而只關心電流是否過高。輸入電壓在其 5-V 最小值而占空比為 Vout / Vin 即 0.25 時,出現(xiàn)極端情況。RMS 電流為 Iout×√(D× (1-D)),即 2.6 A。

  

降壓轉(zhuǎn)換器電路

  圖1

  設計時,輸出紋波電壓限制定在 20 mV 峰至峰 (pp) 以下。輸出電感值選定為 2.2 μH,以將峰至峰紋波電流限定為 1.8A,也即滿負載的 30%。低 ESR 和電感輸出電容的輸出紋波電壓 (Vpp) 為峰至峰電流 (Ipp) 除以輸出電容 (Cout) 乘以 2π 乘以開關頻率 (F),即Vpp = Ipp/(2π×F×Cout)。假設一個 Vout 正常值 80% 的電容占 20% 的容差,則需要三個電容。

  測試重點與討論

  峰值-峰值輸入紋波電壓約為 200 mV(請參見圖 3),比輸出紋波電壓(請參見圖 2)大 10 倍。如果使用三個輸入電容而非一個,則輸入紋波電壓仍然比輸出紋波電壓大 3 倍。一些客戶要求嚴格地將輸入紋波電壓控制在 100 mV 以下,由于系統(tǒng)噪聲問題,會要求使用三個輸入電容。另外,相比近正弦波輸出紋波,輸入電壓波形具有明顯得多的鋸齒形。因此,其高頻諧波更多。由于紋波要求一般以 20-MHz 帶寬測量設置作為標準,所以并不能看見全部的電容雜散電感影響。

  

降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容選擇

  圖2、13V 輸入和 6A 負載條件下輸出電容上形成的紋波 (5 mV/DIV)

  


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關鍵詞: 降壓 轉(zhuǎn)換器 電容選擇

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