ZHCAA82B April 2017 – April 2021 CSD95490Q5MC , TPS40140 , TPS40322 , TPS40422 , TPS40425 , TPS40428 , TPS51631 , TPS53622 , TPS53631 , TPS53632 , TPS53641 , TPS53647 , TPS53659 , TPS53661 , TPS53667 , TPS53679 , TPS53681
計算輸出電容時需要同時考慮應用對直流紋波和交流瞬態規格的要求。如前所述,交流瞬態的要求通常比直流紋波規格更高,并規定了需要的總輸出電容量。就像選擇輸入電容器一樣,混合使用 MLCC 和大容量電容器。
陶瓷電容器將轉換器的輸出阻抗保持在較低水平,這樣控制回路才能在快速瞬變期間進行響應,以盡量減少過沖和下沖。大容量電容器為輸出電壓提供足夠的電荷庫,以便在控制器將電感電流提升至全新負載電流水平時保持在公差范圍內。
Equation5假設電容器網絡中的 ESR 和 ESL 最小,處理直流紋波所需的輸出電容量可使用 計算。在這個公式中,IPP 是轉換器單相的紋波電流(使用 150nH 電感值計算),由于在單相操作中無法消除電感電流,這是非常糟糕的情況。

圖 5-2Equation6 和Equation9 到 解釋了計算處理負載瞬變所需的啟動電容值的原理。在負載階躍過程中,電感 L 或 LEQ(取決于總相數)需要一些時間 tUndershoot),才能轉換到高電流水平。此時,當 VOUT 低于其設定值時,從輸出電容器中拉出的電荷量等于 QUndershoot 。負載釋放時,電感器中的過量電荷 QOvershoot 在時間 tOvershoot 內傾入輸出電容器,導致 VOUT 在其調節點以上擺動。
圖 5-2 負載瞬態波形



在計算出 QOvershoot 和 QUndershoot 之后,只需將電荷除以 VOUT 上的允許擺幅即可求出輸出電容。圖 5-3當前設計規定了必須考慮的直流負載線,如 中所示。Equation10Equation11對于負載階躍,處理應用最大瞬態所需的總電容在 中計算,對于負載釋放,則在 中計算。對于沒有直流負載線的應用,只需設置 DCLL = 0 即可。
圖 5-3 帶直流負載線的負載瞬態

比較 CRipple、CUndershoot 和 COvershoot 的計算值,負載釋放決定了將 VOUT 保持在規定范圍內所需的電容量。COvershoot 比 CUndershoot 大得多,因為在負載釋放過程中,處理器需要的能量較少,因此存儲在電感器中的任何多余能量都會轉移至輸出電容器,引起 VOUT 過沖。在一個負載階躍中,處理器從電容器中提取能量,而儲存在電感器中的能量會將電容器再填滿,這有助于減少下沖。
表 5-4表 5-5 和 用于提供一個混合輸出電容器以滿足瞬態要求,同時平衡元件數量和 BOM 成本。表 5-4表 5-5 比較了幾種常用電容器的價格和規格,而 則考察了滿足所需要求并可作為設計起點的電容器的組合。根據試驗結果,可以調整電容器的數量和類型。每個選項的總電容設置為高于 COvershoot,以提供裕度并導致 MLCC 的降額。每個電容器上的直流偏置低于調節器輸入側的直流偏置,因此降額較少,而電容器仍保留大部分標稱電容。
| 電容類型 | 電容 | 技術規格 | 價格/千件 |
|---|---|---|---|
| 陶瓷 | 22μF | 0805、6.3V、X5R | 0.054 美元 |
| 陶瓷 | 47μF | 0805、6.3V、X5R | 0.131 美元 |
| 有機聚合物 | 470μF | V 形外殼、2.5V、6mΩ | 1.357 美元 |
| 有機聚合物 | 680μF | D 形外殼、2.5V、6mΩ | 2.537 美元 |
| 電容器組合 | 總電容 | 元件數 | 價格 |
|---|---|---|---|
| 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根據,470μF 大容量電容器和 MLCC 的組合在元件數量和價格之間實現最佳平衡。對于會需要全陶瓷解決方案的應用,元件數量大幅增加,但 BOM 成本未必增加。