DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器輸入電容器中的電流
發(fā)布日期:2025-02-20
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所有降壓轉(zhuǎn)換器都需要輸入電容。實(shí)際上,在理想情況下,如果電源具有零輸出阻抗和無(wú)限電流容量,并且軌道具有零電阻或電感,則不需要輸入電容。但由于這種情況的可能性微乎其微,因此最好假設(shè)降壓轉(zhuǎn)換器需要輸入電容。
輸入電容器存儲(chǔ)當(dāng)高端開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)提供電流脈沖的電荷;當(dāng)高端開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí),輸入電源對(duì)輸入電容器進(jìn)行重新充電(圖 1)。

圖 1上圖顯示了降壓 DC/DC 開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入電容電流的簡(jiǎn)化電流波形,假設(shè)輸出電感無(wú)限大。來(lái)源:德州儀器
降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)對(duì)輸入電容器進(jìn)行充電和放電,導(dǎo)致其兩端的電壓上升和下降。此電壓變化表示轉(zhuǎn)換器在開(kāi)關(guān)頻率下的輸入電壓紋波。輸入電容器會(huì)過(guò)濾輸入電流脈沖,以最大限度地減少輸入電源電壓上的紋波。
電容的大小決定了電壓紋波,因此電容的額定值必須能夠承受均方根 (RMS) 電流紋波。RMS 電流計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)輸入電容,沒(méi)有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 或等效串聯(lián)電感 (ESL)。有限的輸出電感解釋了輸入側(cè)的電流紋波,如圖2所示。

圖 2 TI 的 Power Stage Designer 軟件顯示輸入電容器紋波電流和計(jì)算出的 RMS 電流。來(lái)源:德州儀器
并聯(lián)輸入電容器之間的電流共享
大多數(shù)實(shí)際實(shí)現(xiàn)都使用并聯(lián)的多個(gè)輸入電容器來(lái)提供所需的電容。這些電容器通常包括一個(gè)小值高頻多層陶瓷電容器 (MLCC),例如 100 nF。使用一個(gè)或多個(gè)較大的 MLCC(10 µF 或 22 µF),有時(shí)還使用極化大值大容量電容器(100 µF)。
每個(gè)電容器都執(zhí)行類(lèi)似但不同的功能;高頻 MLCC 可分離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中 MOSFET 開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的快速瞬態(tài)電流。較大的 MLCC 以開(kāi)關(guān)頻率及其諧波向轉(zhuǎn)換器提供電流脈沖。當(dāng)輸入源的阻抗意味著它無(wú)法快速響應(yīng)時(shí),大容量電容器可提供響應(yīng)輸出負(fù)載瞬變所需的電流。
在使用時(shí),大型電容具有顯著的 ESR,這會(huì)對(duì)輸入濾波器的 Q 因數(shù)產(chǎn)生一定程度的衰減。根據(jù)其在開(kāi)關(guān)頻率下相對(duì)于陶瓷電容的等效阻抗,電容在開(kāi)關(guān)頻率下也可能具有顯著的 RMS 電流。
大容量電容器的數(shù)據(jù)表指定了最大 RMS 電流額定值,以防止自熱并確保其使用壽命不會(huì)縮短。由于 RMS 電流的存在,MLCC 的 ESR 要小得多,因此自熱也少得多。即便如此,電路設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)忽略陶瓷電容器數(shù)據(jù)表中指定的最大 RMS 電流。因此,了解每個(gè)單獨(dú)輸入電容器中的 RMS 電流非常重要。
如果您使用多個(gè)較大的 MLCC,則可以將它們組合起來(lái),并將等效電容輸入到電流共享計(jì)算器中,以計(jì)算并聯(lián)輸入電容器中的 RMS 電流。RMS 電流的計(jì)算僅考慮基頻。盡管如此,此計(jì)算工具是對(duì)單個(gè)輸入電容器 RMS 電流計(jì)算的有用改進(jìn)。
考慮一個(gè)應(yīng)用,其中 V IN = 9 V、V OUT = 3 V、I OUT = 12.4 A、f SW = 440 kHz 和 L = 1 µH。那么三個(gè)并聯(lián)輸入電容可以是 100 nF (MLCC)、ESR = 30 mΩ、ESL = 0.5 nH;10 µF (MLCC)、ESR = 2 mΩ、ESL = 2 nH;以及 100 µF (bulk)、ESR = 25 mΩ、ESL = 5 nH。此處的 ESL 包括 PCB 軌道電感。
圖 3顯示了此示例的電容器電流共享計(jì)算器結(jié)果。100 nF 電容器按預(yù)期吸收 40 mA 的低 RMS 電流。較大的 MLCC 和大容量電容器將其 RMS 電流更均勻地分配為 4.77 A 和 5.42 A。

圖 3顯示的是 TI 的 Power Stage Designer 電容均流計(jì)算器的輸出。來(lái)源:德州儀器
實(shí)際上,由于施加的電壓,10 µF MLCC 的實(shí)際電容會(huì)略低。例如,0805 封裝中的 10 µF、25 V X7R MLCC 在偏置電壓為 12 V 時(shí)可能僅提供其額定電容的 30%,在這種情況下,大型電容器的電流為 6.38 A,這可能超過(guò)其 RMS 額定值。
解決方案是使用更大的電容器封裝尺寸并并聯(lián)多個(gè)電容器。例如,1210 封裝中的 10 µF、25 V X7R MLCC 在偏置電壓為 12 V 時(shí)可保持其額定電容的 80%。當(dāng)在電容器電流共享計(jì)算器中用作 C2 時(shí),其中三個(gè)電容器的總有效值為 24 µF。
并聯(lián)使用這些電容器可將大型電容器中的 RMS 電流降低至 3.07 A,這更易于管理。并聯(lián)放置三個(gè) 10µF MLCC 還可將 C2 支路的總 ESR 和 ESL 降低三倍。
100 nF MLCC 的低電容及其相對(duì)較高的 ESR 意味著該電容器在開(kāi)關(guān)頻率及其低階諧波下提供電流方面起著很小的作用。該電容器的功能是分離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 MOSFET 開(kāi)關(guān)瞬間出現(xiàn)的納秒電流瞬變。設(shè)計(jì)人員通常將其稱(chēng)為高頻電容器。
為了提高效率,必須使用盡可能短(電感最?。┑?PCB 布線將高頻電容器盡可能靠近穩(wěn)壓器的輸入電壓和接地端子。否則,軌道的寄生電感將阻止此高頻電容器對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的高頻諧波進(jìn)行去耦。
使用盡可能小的封裝以最小化電容器的 ESL 也很重要。與其 ESR 和阻抗曲線相比,值小于 100 nF 的高頻電容器有利于在特定頻率下解耦。較小的電容器將具有較高的自諧振頻率。
類(lèi)似地,始終將較大的 MLCC 盡可能靠近轉(zhuǎn)換器放置,以盡量減少其寄生軌道電感,并盡量提高其在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波下的有效性。
圖 3 還顯示,盡管總輸入電容器(假設(shè)它是一個(gè)等效電容器)的總 RMS 電流為 6 A,但 C1、C2 和 C3 支路中的 RMS 電流總和大于 6 A,不遵循基爾霍夫電流定律。該定律僅適用于瞬時(shí)值,或時(shí)變和相移電流的復(fù)雜相加。
使用 PSpice for TI 或 TINA-TI 軟件
如果設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用需要三個(gè)以上的輸入電容分支,則可以使用 PSpice for TI 仿真軟件或 TINA-TI 軟件。這些工具可以進(jìn)行更復(fù)雜的 RMS 電流計(jì)算,包括諧波和基本開(kāi)關(guān)頻率,以及使用更復(fù)雜的電容模型,以捕捉 ESR 的頻率相關(guān)特性。
TINA-TI 軟件可以通過(guò)以下方式計(jì)算每個(gè)電容支路中的 RMS 電流:運(yùn)行仿真,單擊所需的電流波形以將其選中,然后從波形窗口中的“處理”菜單選項(xiàng)中選擇“平均值”。TINA-TI 軟件使用仿真開(kāi)始和結(jié)束顯示時(shí)間的數(shù)值積分來(lái)計(jì)算 RMS 電流。
圖 4顯示了仿真視圖。為了清晰起見(jiàn),我們省略了 100 nF 電容,因?yàn)槠潆娏鞣浅5停瑫?huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)邊緣產(chǎn)生振鈴。Power Stage Designer 軟件分析轉(zhuǎn)換器的總輸入電容電流波形,計(jì)算出輸入電流 (I IN ),為 6 A RMS,與圖 2 中的值相同。

圖 4 TINA-TI 軟件的輸出顯示了電容器支路電流波形和計(jì)算出的 C2 中的 RMS 電流。來(lái)源:德州儀器
與忽略 ESR 和 ESL 的理想梯形波形相比,每個(gè)分支中的電容器電流波形有很大不同。這種差異對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器(如 TI LM60440)有影響,該轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)并聯(lián)電壓輸入 (V IN ) 和接地 (GND) 引腳。
鏡像引腳配置使設(shè)計(jì)人員能夠連接兩個(gè)相同的并行輸入環(huán)路,這意味著他們可以將雙輸入電容(高頻和大容量)并聯(lián)放置在靠近兩對(duì)電源輸入 (PVIN) 和電源接地 (PGND) 引腳的位置。兩個(gè)并行電流環(huán)路還將有效寄生電感減半。
此外,兩個(gè)鏡像輸入電流環(huán)路具有相等且相反的磁場(chǎng),允許一些 H 場(chǎng)抵消,從而進(jìn)一步降低寄生電感(圖 5)。圖 4 表明,如果您沒(méi)有仔細(xì)匹配并聯(lián)環(huán)路的電容值、ESR、ESL 和布局以獲得相等的寄生阻抗,則并聯(lián)電容路徑中的電流可能會(huì)有很大差異。

圖 5并行輸入和輸出環(huán)路采用對(duì)稱(chēng)“蝴蝶”布局。來(lái)源:德州儀器
軟件工具使用注意事項(xiàng)
要正確指定降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電容器,您必須知道電容器中的 RMS 電流。您可以通過(guò)公式估算電流,或者更簡(jiǎn)單地使用軟件工具(如 TI 的 Power Stage Designer)估算電流。您還可以使用此工具估算最多三個(gè)并聯(lián)輸入電容器支路中的電流,這在實(shí)際轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)。
更復(fù)雜的仿真軟件包(如 TINA-TI 軟件或 PSpice for TI)可以計(jì)算電流,包括諧波和基頻。這些工具還可以模擬頻率相關(guān)的寄生阻抗和更多并聯(lián)分支,這說(shuō)明了在鏡像輸入蝶形布局中匹配輸入電容器組合的重要性。
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