模塊化DC-DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器（或穩(wěn)壓器）是完全集成的器件，可以消除電源設(shè)計的大部分復(fù)雜性 - 但并非全部。設(shè)計工程師可自行決定的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是選擇能量存儲和濾波電路的元件和布局。原則上，這些看似簡單的電路包括一些電阻器，電容器和儲能元件，通常是電感器。但是，這種簡單性掩蓋了與開關(guān)穩(wěn)壓器相關(guān)的絕大多數(shù)問題無關(guān)的事實。與模塊本身，而不是在輸入濾波器和能量存儲和濾波電路中不正確使用電容器。選擇錯誤類型的電容器，使所需電容稍微不正確或錯位無源器件會導(dǎo)致功能完善的穩(wěn)壓器模塊產(chǎn)生過多的電磁干擾（EMI）。在更糟糕的情況下，選擇不良的電容會導(dǎo)致良好的電壓調(diào)節(jié)器變得不穩(wěn)定并過早失效。

本文介紹如何為模塊化電壓調(diào)節(jié)器的外部電路選擇正確的電容器，并描述如果出現(xiàn)問題，可能會出現(xiàn)問題。做出了糟糕的選擇。

處理EMI

開關(guān)穩(wěn)壓器因其高效靈活而受到歡迎。但是，需要權(quán)衡利弊。芯片更昂貴，占用更多空間，對負載變化具有相對慢的瞬態(tài)響應(yīng)，并且由于開關(guān)操作，可能難以防止來自開關(guān)電路的EMI輻射到輸入和輸出側(cè)。解決EMI的最佳方法是針對源，在開關(guān)穩(wěn)壓器中通常是功率場效應(yīng)晶體管（FET），特別是當它關(guān)閉時。圖1顯示了一個基本的降壓（“降壓”）穩(wěn)壓器。當功率FET（“Q1”）導(dǎo)通時，電流如箭頭所示在電路周圍流動。當Q1關(guān)斷時，最靠近Q1的電感器末端的電壓被強制擺動為負，直到二極管通過導(dǎo)通來響應(yīng)以保持通過電感器的電流恒定。但是，由于二極管無法在零時間內(nèi)導(dǎo)通，因此當二極管最終導(dǎo)通時，電壓會超過二極管壓降，然后產(chǎn)生紋波（或“振鈴”）。即使使用肖特基二極管，寄生走線電感仍會引起一些波紋。這種波紋在20-100 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生EMI。

圖1：基本降壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器電路，顯示Q1導(dǎo)通時的電流（德州儀器提供）。 》一種經(jīng)過驗證的減少由振鈴引起的EMI的方法是增加一個RC“緩沖器”，包括一個陶瓷電容器和碳膜電阻器，靠近FET，如圖2所示。緩沖器起作用，因為當FET關(guān)閉并停止采購時在電流中，緩沖電容器提供足夠的電流，使得通過電感器的電流變化速率減慢，從而降低了二極管中波紋的發(fā)生率。適當選擇緩沖電路的元件值，它們將抑制確實發(fā)生的任何波紋。

圖2：RC緩沖電路有助于降低功率FET的EMI輻射（“Q1 “）（由德州儀器公司提供）。

RC緩沖電路可將整體穩(wěn)壓器效率降低幾個百分點。在輕負載時效率損失最多，因為緩沖器中消耗的功率相對恒定且與輸出負載電流無關(guān)。1（一些較新的開關(guān)穩(wěn)壓器模塊將RC緩沖器集成到芯片中，為設(shè)計工程師節(jié)省了任務(wù)提出合適的電路。）

除了降低EMI的RC緩沖電路外，設(shè)計工程師還需要在器件的前端選擇一個電容器，以最大限度地減少由不連續(xù)引起的輸入電壓變化。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的輸入電流。

選擇該電容時，輸入電容的值不是主要考慮因素。而它是RMS電流和額定電壓。

輸入電容（CIN）的RMS電流可以通過以下公式計算：

其中D是PWM方波占空比。

最壞的情況發(fā)生在D = 50％（即VIN = 2 x VOUT），產(chǎn)生IIN，RMS = IOUT/2.

大容量輸入電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）會導(dǎo)致器件在此RMS電流下發(fā)熱。更高的ESR會增加發(fā)熱量，因此一個好的起點是在預(yù)算的限制范圍內(nèi)指定一個ESR盡可能低的器件。

陶瓷和鉭電容器都適合作為開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輸入電容器。選擇額定電壓至少為最大輸入電壓1.5倍的陶瓷電容器。如果選擇鉭電容，則應(yīng)選擇額定電壓至少為最大輸入電壓兩倍的電壓。

建議使用與大容量電容并聯(lián)的小型陶瓷電容用于高頻去耦。

LC輸出濾波器

電源設(shè)計工程師可能選擇的最重要的電容器選擇是電壓調(diào)節(jié)器LC輸出濾波器的元件選擇。該電路的工作是在其輸入端（開關(guān)節(jié)點）對電壓方波進行濾波，以在其輸出端產(chǎn)生恒定的穩(wěn)壓電壓（VOUT）。

在穩(wěn)態(tài)條件下的降壓轉(zhuǎn)換器中，平均電流為電感（IL）等于輸出電流IOUT。由于輸入是方波，電感電流不是恒定的，而是隨著輸入電壓的接通和斷開而在最大值和最小值之間波動。最大值和最小值之間的差值（ΔIL）稱為峰峰值電感電流紋波（圖3）。

圖3：響應(yīng)電壓輸入的電感電流紋波方波。

在LC輸出濾波器中，電容的作用是保持恒定的輸出電壓（VOUT）并限制任何電壓尖峰。實際上，實際上不可能消除目標值附近的電壓變化，這表現(xiàn)為最大值和最小值之間的振蕩，其差值（ΔVOUT）稱為峰峰值電壓紋波。電壓紋波是電感紋波電流，開關(guān)頻率和輸出電容ESR的函數(shù)。

設(shè)計工程師應(yīng)根據(jù)應(yīng)用指定電路的最大電流和電壓紋波。通常選擇電感器以保持紋波電流小于額定直流電流的20％至30％。敏感的現(xiàn)代硅電路需要更嚴格地控制電壓紋波，通常在5-100 mV范圍內(nèi)。圖4顯示了提供2.0 V輸出的降壓穩(wěn)壓器的可接受電壓紋波曲線。

圖4：降低電壓紋波可改善下游電路性能（德州儀器公司提供）。

選擇開關(guān)穩(wěn)壓器輸出濾波器的最佳電容并非易事。然而，一個好的起點是估計給定輸出電壓紋波的最大ESR和最小電容。 ESR可以通過以下公式計算：

最小輸出電容（COUT）可通過以下公式估算：

其中ΔVOUT，過沖是輸出上允許的最大電壓過沖和IL，max是最大電感電流。但是，輸出電容的選擇還有一些。如果不考慮輸入“紋波電流額定值”，即使具有明顯正確ESR的器件也會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。長時間暴露在高溫下會導(dǎo)致設(shè)備的液體電解質(zhì)逐漸蒸發(fā)通過密封，從而提高ESR，并在惡性循環(huán)中導(dǎo)致更多的加熱，從而導(dǎo)致電容下降并最終導(dǎo)致故障。核心溫升應(yīng)限制在5-10°C以防止此類損壞。

輸出濾波電路電容的功耗（PCAP）為：

IRMS是輸入紋波電流。換句話說，對于給定的ESR，內(nèi)部溫升與紋波電流的平方成正比。重要的是要注意，紋波電流額定值可以在技術(shù)，制造商之間變化很大和給定電容的電壓。高紋波額定電容器往往具有低ESR，更大的表面積和高傳熱常數(shù)。與較短的脂肪裝置相同體積的高電容器可以更好地散熱，因為熱量更容易從核心傳遞到殼體。盡管如此，與ESR額定值相比，電容器尺寸對于不同的電容器技術(shù)甚至在來自不同制造商的相同技術(shù)之間也存在很大差異。在進行選擇之前，建議設(shè)計工程師仔細熟悉一個入圍設(shè)備的規(guī)格表。

另一個重要因素是將輸出電容放置在PCB上。保持高頻開關(guān)電路的走線短路以最小化EMI是個好主意。確保電容器不要太靠近熱源（如二極管）也是一個好主意，因為這可能會使設(shè)備的內(nèi)部溫度更高。3

尋求指導(dǎo)

設(shè)計工程師希望獲得正確的外部電容，以便與市場上的許多開關(guān)穩(wěn)壓器模塊配合使用，隨時可以獲得幫助。

附帶并描述模塊制造商產(chǎn)品的規(guī)格表通常包括建議電容值的應(yīng)用電路。器件的輸入和輸出濾波器電路。

請考慮德州儀器（TI）的TPS53318。該芯片是同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，具有250 kHz-1 MHz的可調(diào)開關(guān)頻率。該器件具有寬轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍（4.5-25 V），極低的外部元件數(shù)，自動跳過模式操作，內(nèi)部軟啟動控制，無需補償。 TPS51462的輸出電壓范圍為0.6-5.5 V（輸出電流高達8 A），采用5 x 6 mm，22引腳QFN封裝。

TI TPS53318數(shù)據(jù)表提供了一個應(yīng)用電路圖和公司有助于建議輸出濾波器電路的典型電容值。此外，數(shù)據(jù)手冊還包括一個非常詳細的設(shè)計步驟，描述了如何選擇電感，設(shè)置輸出電壓，確定輸出電容，以及檢查給定輸出電容的電源輸出穩(wěn)定性。

凌力爾特公司的LTC3549開關(guān)降壓穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊包括一個應(yīng)用電路，建議輸入和輸出電容值（圖5）。

圖5：凌力爾特公司LTC3549的應(yīng)用電路建議輸入和輸出電容的值。

數(shù)據(jù)手冊還包括一些關(guān)于外部元件選擇的方便設(shè)計技巧，例如指出紋波電流額定值通常僅基于2，000小時的壽命，因此指定它是有意義的溫度比所需溫度高的電容器。此外，凌力爾特公司的規(guī)格表建議，由于LTC3549的控制環(huán)路不依賴于電容器的ESR以實現(xiàn)穩(wěn)定工作，因此可以使用陶瓷器件（小心）以實現(xiàn)極低輸出紋波和小電路尺寸。

LTC3549采用2.25 MHz的固定工作頻率。 1.6-5.5 V輸入電壓范圍使該器件非常適用于單節(jié)鋰離子電池，鋰金屬電池，堿性電池，鎳鎘電池或鎳氫電池供電應(yīng)用。突發(fā)模式操作可以是用戶啟用的，可以提高輕負載時的效率，進一步延長電池壽命。

就其本身而言，STMicroelectronics解釋說輸入電容必須具有高于最大RMS輸入電流和ESR值的RMS電流額定值符合ST1S31同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊中的預(yù)期效率。此外，數(shù)據(jù)表建議在陶瓷（MLCC）電容器的輸出側(cè)，電壓紋波的電容分量在電阻器中占優(yōu)勢，而對于電解電容器則相反。該公司的數(shù)據(jù)手冊包括計算電容值的所有相關(guān)公式，并提供有關(guān)哪些制造商提供合適元件的建議。

ST1S31是一款內(nèi)部補償，1.5 MHz同步降壓穩(wěn)壓器，工作電壓為2.8-5.5 V，將輸出電壓從VIN調(diào)節(jié)至低至0.8 V.該芯片具有峰值電流模式控制和內(nèi)部補償功能，據(jù)稱可提供非常緊湊的解決方案，且元件數(shù)量最少。該器件采用3 x 3 mm，8引腳VFDFPN和SO8封裝。

電源設(shè)計的關(guān)鍵部分

考慮到現(xiàn)代開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器模塊的復(fù)雜性，可選擇輸入和輸出電容器芯片的濾波器和儲能電路似乎是電源設(shè)計的一個微不足道的部分。然而，事實并非如此。不正確的技術(shù)，尺寸，電容或ESR選擇可以看出低電容最多會破壞電路的效率，最壞的情況會導(dǎo)致產(chǎn)品過早失效。建議的方法是使用供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中提供的大量信息來計算初始電容和ESR值，然后使用多種技術(shù)中的幾種替代器件測試原型電路。