關(guān)注“電源先生”，解析開關(guān)電源

01  / 背景簡述 /

圖 1 非同步BUCK轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/span>

圖 1所示，是（TPS54561DPRT）非同步BUCK轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，已?jīng)內(nèi)置了高邊開關(guān)管，關(guān)鍵的外圍元件包括功率電感、續(xù)流二極管、輸出電容和輸入電容。

[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(5) | 電流紋波系數(shù)選擇，功率電感計(jì)算優(yōu)化指南 ]完成了功率電感選型。

[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(6) | 非同步BUCK降壓電路續(xù)流二極管選型準(zhǔn)則 ]完成了續(xù)流二極管選型。

[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(7)：BUCK降壓電路輸出電容選型方法1 ] [ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(7) | BUCK降壓電路輸出電容選型方法2 ]完成了輸出電容選型。

此文進(jìn)行輸入電容選型。

02  / 輸入電容取值的考量因素 /

陶瓷電容器的值隨溫度和施加到電容器的直流偏置而變化很大。通過選擇在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更穩(wěn)定的介電材料，可以將溫度引起的電容變化降至最低。

開關(guān)穩(wěn)壓電容器通常選擇X5R和X7R陶瓷電介質(zhì)，因?yàn)樗鼈兙哂懈唠娙蒹w積比，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定。

輸入電容器的兩個(gè)基本選型原則：

• 輸入電容器的額定電壓必須大于最大輸入電壓，且考慮直流偏置。
• 輸入電容器的容值必須滿足輸入紋波電壓的要求。
• 輸入電容器的紋波電流額定值還必須大于具體電路中的最大輸入電流紋波。

03  / 額定電壓必須大于最大輸入電壓 /

此例中（參考TPS54561規(guī)格書或者[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(2) | 為什么要設(shè)計(jì)電路？電源工程師必知的電路設(shè)計(jì)第一步！ ]設(shè)計(jì)需求），需要支持的最大輸入電壓是60V，所以需要至少額定電壓為60 V的輸入電容。

考慮到降額使用，實(shí)際可以選用75V耐壓及以上的MLCC陶瓷電容。

04  / 容值必須滿足輸入紋波電壓的要求 /

由《開關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“3.2.3.5 輸入紋波電壓”章節(jié)可知，降壓電路輸入紋波電壓大小可以通過公式(3.185)計(jì)算得到。

因?yàn)榇死形覀儨?zhǔn)備選型的輸入電容器是陶瓷電容MLCC，可以忽略ESR因素導(dǎo)致的輸入紋波電壓分量，所以輸入端紋波電壓大小僅由輸入電容C充放電導(dǎo)致的紋波電壓分量決定，通過公式(3.182)計(jì)算即可。

由《開關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“3.2.3.6 輸入紋波電壓的最大值是多少”可知，表達(dá)式 D×(1-D) 在占空比 D=0.5 時(shí)取得最大值為0.25；且從此例設(shè)計(jì)需求中可知，輸入紋波電壓最大值為0.3V，最大負(fù)載電流為5.0A，開關(guān)頻率典型值為400kHz。

所以，為了滿足輸入紋波電壓的要求，計(jì)算所需輸入電容量最小值如下所示：

所以，5顆2.2uF電容并聯(lián)后的總?cè)葜禐?1uF（不考慮陶瓷電容偏壓特性或降額使用），可以滿足輸入紋波電壓小于0.3V的設(shè)計(jì)需求。

反之，在5*2.2uF輸入電容考慮直流特性之后的電容量約為8.8uF的情況下，使用公式42計(jì)算輸入紋波電壓，結(jié)果是355mV。這點(diǎn)比輸入紋波電壓目標(biāo)值0.3V多出55mV，需要根據(jù)具體應(yīng)用取舍。如果輸入紋波電壓必須小于0.3V，則可以通過增加輸入電容數(shù)量來達(dá)到。

05  / 紋波電流額定值必須大于最大輸入紋波電流值 /

參考TPS54561規(guī)格書，使用公式41計(jì)算輸入紋波電流，結(jié)果是2.26A。

由《開關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“3.3.10 輸入電容的瞬時(shí)電流、平均電流和有效電流”可知，輸入電容上均方根電流的計(jì)算公式為(3.300)，，且該均方根電流在占空比為0.5時(shí)取得最大值。

此例中（參考TPS54561規(guī)格書或者[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(2) | 為什么要設(shè)計(jì)電路？電源工程師必知的電路設(shè)計(jì)第一步！ ]設(shè)計(jì)需求），輸入電壓最小值為 V_(IN,MIN)=7.0V ，輸入電壓最大值為 V_(IN,MAX)=60V ，輸出電壓典型值為 V_OUT=5.0V ，所以該電路占空比的最大值和最小值分別為 D_MAX=5.0V/7.0V=0.714 和 D_MIN=60V/7.0V=0.083 。

占空比0.5介于0.083和0.714之間，所以輸入電容上均方根電流在占空比等于0.5時(shí)取得最大值2.5A，如下所示：

06  / 輸入電容選型的結(jié)果 /

圖 2 TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例

圖 2所示TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例，C1(5*2.2uF)就是輸入電容。表 1顯示了高壓電容器的幾種選擇。

表 1 常用的高壓輸入電容

如果輸入電容使用2.2uF±20% / 100V，可選的具體型號有：

Murata Electronics GRM32ER72A225MA35L (2.2 uF 20% 100 VDC 1210 X7R) 

TDK C3225JB2A225M230AB (2.2 uF 20% 100 VDC 1210 X7R)

KYOCERA AVX 12101C225MAT2A (2.2 uF 20% 100 VDC 1210 X7R)

如果輸入電容使用10uF±20% / 100V，可選的具體型號有：

Murata Electronics GRM32EC72A106ME05K (10 uF 100 VDC 20% 1210 X7S)

TDK C5750X7S2A106M230KB (100V 10uF X7S 2220 20%)

KYOCERA AVX 22201C106M4Z2A (100V 10uF X7R 2220 20% Flex AECQ)

07  / 小結(jié) /

表 1所示，是TPS54561DPRT規(guī)格書推薦的輸入電容器，100V耐壓電容器的最大電容量為2.2uF，沒有推薦10uF 100V，實(shí)際應(yīng)用中選用2.2uF 100V電容器而不是10uF 100V電容器，這是由制造成本決定的，單顆MLCC陶瓷電容的電容量越大、耐壓值越高，制造成本也越高，售價(jià)也就越高。

圖 2所示，基于TPS54561DPRT非同步BUCK轉(zhuǎn)換器芯片的外圍關(guān)鍵元件（功率電感、續(xù)流二極管、輸出電容和輸入電容）至此已經(jīng)選型完畢。

后續(xù)幾篇文章將進(jìn)行輔助功能電路配置，如自舉電容、軟啟動(dòng)電容、使能/欠壓閉鎖等。