了解 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器輸入電容器中的電流

所有降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端都需要電容器。實(shí)際上，在完美的世界中，如果電源具有零輸出阻抗和無限電流容量，并且走線具有零電阻或電感，則不需要輸入電容器。但由于這種可能性極小，因此最好假設(shè)您的降壓轉(zhuǎn)換器需要輸入電容器。

輸入電容器存儲電荷，在高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)提供電流脈沖;當(dāng)高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，它們由輸入電源充電(圖 1)。

圖 1上圖顯示了降壓 DC/DC 開關(guān)周期期間輸入電容器電流的簡化電流波形(假設(shè)輸出電感無窮大)。

降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動(dòng)作對輸入電容器充電和放電，導(dǎo)致其兩端的電壓上升和下降。該電壓變化代表轉(zhuǎn)換器在開關(guān)頻率下的輸入電壓紋波。輸入電容器過濾輸入電流脈沖，以最大限度地減少輸入電源電壓的紋波。

電容值決定電壓紋波，因此電容器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)僅存在一個(gè)輸入電容器，并且沒有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 或等效串聯(lián)電感 (ESL)。有限的輸出電感會導(dǎo)致輸入側(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。

并聯(lián)輸入電容器之間的均流

大多數(shù)實(shí)際實(shí)現(xiàn)都使用多個(gè)并聯(lián)輸入電容器來提供所需的電容。這些電容器通常包括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)還配有一個(gè)極化大容量大容量電容器(100 μF)。

每個(gè)電容器執(zhí)行相似但不同的功能;高頻 MLCC 可以解耦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中 MOSFET 開關(guān)過程引起的快速瞬態(tài)電流。較大的 MLCC 以開關(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)載瞬態(tài)所需的電流。

在使用時(shí)，大容量電容器具有顯著的 ESR，可為輸入濾波器的 Q 因數(shù)提供一定的阻尼。根據(jù)其在開關(guān)頻率下相對于陶瓷電容器的等效阻抗，電容器在開關(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，以防止自加熱并確保其使用壽命不會縮短。由于 RMS 電流，MLCC 的 ESR 更小，相應(yīng)的自發(fā)熱也更小。即便如此，電路設(shè)計(jì)人員有時(shí)也會忽略陶瓷電容器數(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，并將等效電容輸入均流計(jì)算器，以計(jì)算并聯(lián)輸入電容器的 RMS 電流。 RMS 電流的計(jì)算僅考慮基頻。盡管如此，該計(jì)算工具還是對單輸入電容器 RMS 電流計(jì)算的有用改進(jìn)。

考慮 V IN = 9 V、V OUT = 3 V、I OUT = 12.4 A、f SW = 440 kHz 且 L = 1 μH的應(yīng)用。三個(gè)并聯(lián)輸入電容器可以為 100 nF (MLCC)，ESR = 30 mΩ，ESL = 0.5 nH; 10 μF(MLCC)，ESR = 2 mΩ，ESL = 2 nH;和 100 μF(散裝)，ESR = 25 mΩ，ESL = 5 nH。這里的 ESL 包括 PCB 走線電感。

圖 3顯示了本示例的電容器均流計(jì)算器結(jié)果。正如預(yù)期的那樣，100nF 電容器吸收 40mA 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，分別為 4.77 A 和 5.42 A。

圖 3顯示了 TI 的 Power Stage Designer 電容器均流計(jì)算器的輸出。

實(shí)際上，由于所施加的電壓，10μF MLCC 的實(shí)際電容要低一些。例如，采用 0805 封裝的 10μF、25V X7R MLCC 在偏置為 12V 時(shí)可能僅提供其額定電容的 30%，在這種情況下，大容量電容器的電流為 6.38A，可能超過其 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，采用 1210 封裝的 10μF、25V X7R MLCC 在偏置為 12V 時(shí)保留其額定電容的 80%。當(dāng)用于電容器電流中的 C2 時(shí)，其中三個(gè)電容器的總有效值為 24μF - 共享計(jì)算器。

并聯(lián)使用這些電容器可將大容量電容器中的 RMS 電流降低至 3.07 A，從而更易于管理。并聯(lián)放置三個(gè) 10μF MLCC 還可將 C2 支路的整體 ESR 和 ESL 降低三倍。

100nF MLCC 的低電容及其相對較高的 ESR 意味著該電容器在開關(guān)頻率及其低次諧波的電流源中幾乎不發(fā)揮作用。該電容器的功能是消除 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 MOSFET 開關(guān)瞬間出現(xiàn)的納秒級電流瞬變。設(shè)計(jì)者通常將其稱為高頻電容器。

為了提高效率，必須使用最短(最低電感)的 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放置。否則，走線的寄生電感將阻止該高頻電容器對開關(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 <100 nF 的高頻電容器有利于特定頻率下的去耦。較小的電容器將具有較高的自諧振頻率。

同樣，應(yīng)始終將較大的 MLCC 放置在盡可能靠近轉(zhuǎn)換器的位置，以最大限度地降低其寄生軌道電感并最大限度地提高其在開關(guān)頻率及其諧波方面的有效性。

圖 3 還顯示，雖然整個(gè)輸入電容器(如果是單個(gè)等效電容器)中的總 RMS 電流為 6 A，但 C1、C2 和 C3 支路中的 RMS 電流之和 > 6 A，并且不遵循基爾霍夫定律現(xiàn)行法律。該定律僅適用于瞬時(shí)值，或時(shí)變電流和相移電流的復(fù)數(shù)相加。

使用 PSpice for TI 或 TINA-TI 軟件

其應(yīng)用需要三個(gè)以上輸入電容器分支的設(shè)計(jì)人員可以使用 PSpice for TI 仿真軟件或 TINA-TI 軟件。這些工具可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的 RMS 電流計(jì)算，包括諧波和基本開關(guān)頻率，以及使用更復(fù)雜的電容器模型，該模型捕獲 ESR 的頻率相關(guān)特性。

TINA-TI 軟件可以通過以下方式計(jì)算每個(gè)電容器支路中的 RMS 電流：運(yùn)行仿真，單擊所需的電流波形將其選中，然后從波形窗口的 Process 菜單選項(xiàng)中選擇 Averages。 TINA-TI 軟件使用模擬開始和結(jié)束顯示時(shí)間的數(shù)值積分來計(jì)算 RMS 電流。

圖 4顯示了仿真視圖。為了清楚起見，在本例中，我們省略了 100nF 電容器，因?yàn)樗碾娏鞣浅５?，并且會?dǎo)致開關(guān)沿處的振鈴。 Power Stage Designer 軟件對轉(zhuǎn)換器的總輸入電容器電流波形進(jìn)行分析，計(jì)算出輸入電流 (I IN )，該電流為 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。

與忽略 ESR 和 ESL 的理想梯形波形相比，每個(gè)支路的電容器電流波形有很大不同。這種差異對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(例如 TI LM60440)有影響，該轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)并行電壓輸入 (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)放置在靠近兩對電源輸入 (PVIN) 和電源接地 (PGND) 的位置引腳。兩個(gè)并聯(lián)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，允許一定程度的 H 場抵消，從而進(jìn)一步降低寄生電感(圖 5)。圖 4 表明，如果您沒有仔細(xì)匹配并聯(lián)環(huán)路的電容器值、ESR、ESL 和布局以獲得相等的寄生阻抗，則并聯(lián)電容器路徑中的電流可能會顯著不同。

圖 5并行輸入和輸出環(huán)路以對稱“蝴蝶”布局顯示。

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，您必須了解電容器中的 RMS 電流。您可以根據(jù)方程式估算電流，或者更簡單地使用 TI 的 Power Stage Designer 等軟件工具來估算電流。您還可以使用此工具來估計(jì)最多三個(gè)并聯(lián)輸入電容器支路的電流，如實(shí)際轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中常用的那樣。