如何为降压变换器去选取合适的输入电容呢？
简介：
emi的干扰和认证在整个电力电子行业应用中都是一个痛点，对于buck型变换器而言，由于其输入电流是断续的，并且具有较高的di/dt，如果没有输入电容，纹波电流完全由上一级的供电电源提供，pcb板上的寄生电阻和电感会产生高的电压纹波影响器件的正常工作。纹波环流导致了传导增加以及emi辐射，放置输入电容可以吸收纹波电流同时在瞬态可以稳定总线电压。
近些年，功率mosfet技术快速发展，第三代新型半导体使得开关速度大幅度提升，因此减小buck变换器的输入电压纹波变得更加有挑战性。此篇文章以buck变换器为例，论述了如何去选取合适的输入电容。
设计参数：
输出电压，vo = 1.2v最大负载电流，io = 6a最大负载时的效率，η = 87%开关频率，fsw = 600khzdc输入总线电压，12v+-5%最大输入电压，16v变换器控制带宽为6khz瞬态阶跃电流，istep = 3a最高板载温度，75°c设计目标：
允许的输入纹波电压，δvin_pp ≤ 0.24 v允许的输入过冲和下冲幅值，δvin_tran ≤ 0.36 v电容电压的选取要考虑稳定性和安全裕度，以本例为例，输入电容的额定电压至少要在25v以上。以下的论述内容会以电气性能、热需求以及小尺寸封装和成本为方向。
图1 buck变换器的基本拓扑
1.旁路输入纹波电流：
在种类众多的电容中，多层陶瓷电容（mlcc）是吸收纹波电流的首要选择。在选取时，首先要考虑纹波电压和纹波电流。表1中的五款不同的陶瓷电容，由于有直流偏置电压，实际的电容值并不等于其标称的额定值。
表1 五款电容的关键电气参数
图2 输入纹波电流和纹波电压
图2是流过输入电容的纹波电流和纹波电压，此处假设纹波电流全部由陶瓷电容吸收，并且忽略其寄生的等效电阻esr。公式1用来计算满足纹波要求的有效电容，此列中，最恶劣工况发生在最大占空比：
占空比d由公式2来计算，此例中，占空比d的变化范围为8.6%~12.1%：
通过公式1的计算可得，输入电容的有效电容值大于4.43uf，考虑到10%的电容误差，最终选取4.92uf以上，12v的电容。图3表明了电容的有效电容值随着直流偏置的变化情况。
图3 陶瓷电容vs直流偏置电压
除了纹波电压，陶瓷电容还应该考虑热应力的需求。首先要计算纹波电流的有效值，图4表明了输入纹波电流有效值/负载电流与占空比d之间的关系。
图4 输入纹波电流有效值/负载电流vs占空比d
对于此例，最大输入纹波电流有效值发生在满载、占空比12.1%，通过公式3可以求得输入纹波电流有效值最大为1.97a。
由于最大板载温度为75°c，x5r的mlcc额定温度为85°c，因此允许的电容温升仅仅为10°c。图5表明了不同陶瓷电容的温升特性。
图5 陶瓷电容的温度特性
根据图3和图5，两个b电容和一个a电容满足电气和热应力特性。两种选择都满足小尺寸低成本的要求，因此加入另外一个考量因素-esl，图6表明了五款电容的等效esl。
图6 不同贴片陶瓷电容的等效电感
通过查询图6可知，两个b电容并联的esl是0.3nh，一个a电容的esl是0.5nh。两个b电容并联后的有效电容是6uf，在10°c温升的情况下最大纹波电流有效值是5.2a，满足要求。
2.用低esl的陶瓷电容来消除电压振铃
随着器件开关特性的提升，开关损耗明显得到减少，但是伴随来的就是高di/dt以及寄生参数导致的电压震荡，其中陶瓷电容的esl就是一个主要原因，因此降低输入电容的esl是重中之重。这个可以通过并联一个具有低esl的小电容来解决。尽管在实际应用中，esl伴随材料和结构一直存在，但是我们通常认为，小尺寸的电容具有低的esl。如图6。对于开关节点的电压震荡，通用的做法是降低开关速度，但是会影响整个系统的效率。
图7是用两个b电容做输入电容的开关节点波形，工况是输入16v，负载电流为6a，通过观察电压震荡的幅值为22.7v。
图7 无额外小电容的开关节点电压波形
在相同的测试条件下，选用一颗d电容并联在输入端，电压震荡从22.7v降低到20.5v，在没有牺牲效率的情况下得到了显著的改善。如图8所示。
图8 并联小电容的开关节点电压波形
总结：
陶瓷电容和大电解电容的结合使用，是一种低成本解决输入电流纹波和负载响应的方案。
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输出电压，vo = 1.2v最大负载电流，io = 6a最大负载时的效率，η = 87%开关频率，fsw = 600khzdc输入总线电压，12v+-5%最大输入电压，16v变换器控制带宽为6khz瞬态阶跃电流，istep = 3a最高板载温度，75°c设计目标：
允许的输入纹波电压，δvin_pp ≤ 0.24 v允许的输入过冲和下冲幅值，δvin_tran ≤ 0.36 v电容电压的选取要考虑稳定性和安全裕度，以本例为例，输入电容的额定电压至少要在25v以上。以下的论述内容会以电气性能、热需求以及小尺寸封装和成本为方向。
图1 buck变换器的基本拓扑
1.旁路输入纹波电流：
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图2 输入纹波电流和纹波电压
图2是流过输入电容的纹波电流和纹波电压，此处假设纹波电流全部由陶瓷电容吸收，并且忽略其寄生的等效电阻esr。公式1用来计算满足纹波要求的有效电容，此列中，最恶劣工况发生在最大占空比：
占空比d由公式2来计算，此例中，占空比d的变化范围为8.6%~12.1%：
通过公式1的计算可得，输入电容的有效电容值大于4.43uf，考虑到10%的电容误差，最终选取4.92uf以上，12v的电容。图3表明了电容的有效电容值随着直流偏置的变化情况。
图3 陶瓷电容vs直流偏置电压
除了纹波电压，陶瓷电容还应该考虑热应力的需求。首先要计算纹波电流的有效值，图4表明了输入纹波电流有效值/负载电流与占空比d之间的关系。
图4 输入纹波电流有效值/负载电流vs占空比d
对于此例，最大输入纹波电流有效值发生在满载、占空比12.1%，通过公式3可以求得输入纹波电流有效值最大为1.97a。
由于最大板载温度为75°c，x5r的mlcc额定温度为85°c，因此允许的电容温升仅仅为10°c。图5表明了不同陶瓷电容的温升特性。
图5 陶瓷电容的温度特性
根据图3和图5，两个b电容和一个a电容满足电气和热应力特性。两种选择都满足小尺寸低成本的要求，因此加入另外一个考量因素-esl，图6表明了五款电容的等效esl。
图6 不同贴片陶瓷电容的等效电感
通过查询图6可知，两个b电容并联的esl是0.3nh，一个a电容的esl是0.5nh。两个b电容并联后的有效电容是6uf，在10°c温升的情况下最大纹波电流有效值是5.2a，满足要求。
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图8 并联小电容的开关节点电压波形
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