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ZHCSQO8 September 2024 LM70840 , LM70860 , LM70880

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封裝選項

機械數據 (封裝 | 引腳)

RRX|29
- MPQF604D

散熱焊盤機械數據 (封裝 | 引腳)

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7.1.1.2 輸出電容器

通常，穩壓器的輸出電容器能量儲存與控制環路響應相結合，用于在動態（瞬態）容差規格內維持輸出電壓的完整性。在電源管理應用中限制輸出電容器的常用邊界由有限可用 PCB 面積、元件尺寸和厚度以及成本驅動。隨著負載階躍幅度和壓擺率增加，電容器寄生效應（等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)）優先于對穩壓器的負載瞬態響應進行整形。

輸出電容器 C_OUT 會對電感器紋波電流進行濾波，并提供一個電荷庫來應對階躍負載瞬態事件。通常，陶瓷電容器提供極低的 ESR 來減少輸出電壓紋波和噪聲尖峰，而鉭電容器和電解電容器以相對緊湊的外形提供大容量電容來應對瞬態負載事件。

根據 ΔV_OUT 所表示的峰峰值輸出電壓紋波靜態規格，選擇一個大于方程式 12 中所示值的輸出電容。

方程式 12.

C_{O U T} \geq \frac{Δ I_{L}}{8 \times F_{S W} \sqrt{Δ V_{O U T}^{2} + {(R_{E S R} \times Δ I_{L})}^{2}}}

圖 7-1 從概念上展示了負載升壓和負載降壓轉換期間的相關電流波形。如圖所示，當電感電流增加以與負載瞬態后的新負載電流電平保持一致時，電感電流的大信號壓擺率會受到限制。此壓擺率限制加劇了輸出電容器中的電荷不足，該不足必須在負載升壓瞬態期間及之后盡快進行補充。同樣，在負載降壓瞬態期間以及之后，電感電流的壓擺率限制會使輸出電容器中的電荷過剩加劇，而這些過剩的電荷必須盡快消耗掉。

LM70840 LM70860 LM70880 顯示 COUT 電荷過剩或不足的負載瞬態響應表示

圖 7-1 顯示 C_OUT 電荷過剩或不足的負載瞬態響應表示

在 12V 輸入到低輸出電壓（例如 3.3V）的典型穩壓器應用中，負載關斷瞬變表示最差情況下的輸出電壓瞬態偏差。在該轉換率應用中，穩態占空比約為 28%，而占空比折疊至零時的大信號電感電流壓擺率約為 –V_OUT/L。與負載導通瞬態相比，電感器電流需要更長的時間才能轉換至所需的電平。輸出電容器中的過剩電荷會導致輸出電壓明顯過沖。實際上，若要盡快消耗輸出電容器上的過剩電荷，電感器電流必須在負載階躍后降至標稱電平以下。在這種情況下，可以方便地采用大輸出電容來吸收過剩電荷并盡可能地減少電壓過沖。

為了滿足此類負載關斷瞬態期間的動態輸出電壓過沖瞬態規格（用 ΔV_OVERSHOOT 表示，其中輸出電流的階躍降低由 ΔI_OUT 提供），輸出電容必須大于以下值：

方程式 13.

C_{O U T} \geq \frac{L_{O} \times Δ I_{O U T}^{2}}{{(V_{O U T} + Δ V_{O V E R S H O O T})}^{2} - V_{O U T}^{2}}

制造商數據表中作為規格以顯式方式或者在阻抗與頻率關系曲線中以隱式方式提供了電容器的 ESR。根據類型、尺寸和結構，電解電容器具有很大的 ESR（5mΩ 及以上）以及相對較大的 ESL（5nH 至 20nH）。PCB 跡線也會產生一些寄生電阻和電感。陶瓷輸出電容器在開關頻率條件下具有低 ESR 和 ESL 貢獻度，容性阻抗分量處于主導地位。不過，根據陶瓷電容器的封裝和電壓額定值，有效電容可能會在施加直流電壓時顯著下降，具體取決于施加的直流電壓和工作溫度。

通過忽略方程式 12 中的 ESR 項，可以快速估算出滿足輸出紋波規格所需的最小陶瓷電容。對于 5V 輸出，常見選擇是使用兩到四個 1206 或 1210 尺寸的 47μF、10V、X7R 電容器。使用方程式 13 來確定是否需要額外的電容才能滿足負載關斷瞬態過沖規格。

將陶瓷電容器和電解電容器組合在一起的實現方案著重解釋了為什么要并聯使用化學特性不同但性能互補的電容器。每個電容器的頻率響應都是增值性的，每個電容器都在該頻率范圍的一部分中提供所需的性能。陶瓷電容器具有低 ESR 和 ESL，因此可以提供出色的中頻和高頻去耦特性，從而盡可能地減少開關頻率輸出紋波，而電解電容器具有大容量電容，因此可以提供低頻儲能來應對負載瞬變需求。