傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法過(guò)多地強(qiáng)調(diào)對(duì)輸出電容的選擇和布局,，以滿足嚴(yán)格的紋波和噪聲要求?？蛻粼敢鉃楦咝阅懿考ㄥX,，但從目前來(lái)看，總是被忽略的輸入電容對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的成功來(lái)說(shuō)更為重要,。其高頻特性和布局將決定設(shè)計(jì)是否成功,。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員在選擇和布局輸出電容時(shí)有很大的自由度,。即便是為了滿足輸出噪聲要求,，選擇和布局輸入電容也很重要。

輸入電容的相關(guān)應(yīng)力比輸出電容要大,，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：輸入電容會(huì)承受更高的電流變化率,，其布局和選擇對(duì)限制主開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力以及限制進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲至關(guān)重要；另外,，其更高的均方根(RMS)電流應(yīng)力和潛在的組件發(fā)熱使得這種選擇對(duì)整體可靠性而言尤為關(guān)鍵,。

電流的快速變化率

應(yīng)力的第一個(gè)方面是快速電流變化率，即dI/dT,，其表現(xiàn)為所有內(nèi)部或雜散電感的電壓,。這會(huì)給輸入電容供電運(yùn)行的開(kāi)關(guān)或鉗位二極管帶來(lái)過(guò)電壓應(yīng)力，并將高頻噪聲輻射到系統(tǒng)中,。

高側(cè)降壓開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)電流為零,，開(kāi)啟時(shí)為滿負(fù)載電流。輸入電容會(huì)承受一個(gè)從零到滿負(fù)載的方波電流?，F(xiàn)代MOSFET以及隨后旁路電容中的電流上升時(shí)間,，均為5ns數(shù)量級(jí)。這種快速的電流變化率(dI/dT),，乘以總雜散電感(L),，在降壓開(kāi)關(guān)上形成電壓尖峰,。另一方面，輸出電容承受的電流波形,，經(jīng)輸出扼流圈平流并受扼流圈峰至峰電流限制,。一般而言，輸出扼流圈紋波電流被設(shè)計(jì)限定到滿負(fù)載電流的40%或更小電流,。

就500kHz,、10%占空比下運(yùn)行的降壓轉(zhuǎn)換器而言，其意味著40%負(fù)載電流的上升時(shí)間為200ns,。也就是說(shuō),，5ns上升100%與200ns上升40%相比，電流變化率高100 倍,；就給定電感的電壓而言,，情況也是如此。對(duì)一些高占空比或低輸出扼流圈紋波電流的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),，這種比率遠(yuǎn)不止100倍,。

電容中的RMS電流

應(yīng)力的第二個(gè)方面是RMS電流。該電流值平方后并乘以相關(guān)電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)后得出的結(jié)果,，是熱量,。過(guò)熱會(huì)縮短組件壽命，甚至引發(fā)災(zāi)難性的故障,。

輸入電容的RMS電流,，等于負(fù)載電流去乘(D*(1-D))的平方根，其中D為降壓開(kāi)關(guān)的占空比,。就5V輸入和1.2V 輸出而言,，D約為1/4，而RMS電流為43%輸出電流,。在同步整流的12V輸入和1V輸出情況下,，D約為1/10，而RMS電流為輸出電流的30%,。另一方面,，輸出電容電流(鋸齒形)的RMS電流，等于電感的峰至峰紋波電流除以√12,。對(duì)于一種40%負(fù)載電流電感峰至峰紋波電流的降壓設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),，輸出電容的RMS電流只是輸出電流的12%，即比輸入電容電流小 2.5倍,。

電容電感和ESR

表面貼裝陶瓷電容的一般封裝尺寸從0603到1210(公制尺寸1608到3225)不等,。通過(guò) AVX 應(yīng)用手冊(cè)，我們知道電感一般大約為1nH,。就一般2917(公制尺寸7343)封裝尺寸的芯片型鉭電容和電解質(zhì)電容而言,，電感約為4到7 nH,。其中，導(dǎo)線尺寸起了很重要的作用,。

1210封裝尺寸,、6.3V到16V額定電壓陶瓷電容的ESR約為1到2 mΩ,。芯片型鉭電容具有一個(gè)50到150mΩ的典型ESR范圍,。這就決定了防止過(guò)熱的最大允許RMS電流。盡管1210封裝尺寸的陶瓷電容可應(yīng)對(duì)3A RMS,，但是最佳鉭電容尺寸1210只能處理0.5 A的電流,，而更大的2917尺寸則可以處理約1.7A的電流。最近,，一種多陽(yáng)極鉭電容已開(kāi)始供貨,，其電感和電阻降低了一半。

設(shè)計(jì)考慮

設(shè)計(jì)實(shí)例(請(qǐng)參見(jiàn)圖1)所示電路,，是一個(gè)6A電流下1.2V到12V輸入電壓的電路,。它使用一個(gè)運(yùn)行在300kHz的控制器(TPS40190)。用戶優(yōu)先考慮的,，是低成本和簡(jiǎn)單的材料清單(BOM),。輸入和輸出電容的給定標(biāo)準(zhǔn)，為1210封裝的22μF,、16V陶瓷電容,。這些電容可以處理3A RMS，并且發(fā)熱最小,。就輸入電容而言,，用戶一般不關(guān)注電壓紋波，而只關(guān)心電流是否過(guò)高,。輸入電壓達(dá)到5V最小值,，而且占空比為Vout/Vin或0.25時(shí)，最壞情況發(fā)生,。RMS電流為Iout×√(D× (1-D))或2.6 A,。

設(shè)計(jì)時(shí)，輸出紋波電壓定在20mV峰至峰(pp)以下,。輸出電感值選定為2.2μH,，從而將峰至峰紋波電流限定為1.8A，也即滿負(fù)載的30%,。針對(duì)低ESR和電感輸出電容的輸出紋波電壓(Vpp)為峰至峰電流(Ipp)除以輸出電容(Cout)和2π以及開(kāi)關(guān)頻率(F)三者的乘積,，即Vpp = Ipp/(2π×F×Cout)。假設(shè)一個(gè)Vout正常值 80%的電容占20%的容差,，則需要三個(gè)電容,。

測(cè)試重點(diǎn)與討論

峰值-峰值輸入紋波電壓約為200mV(參見(jiàn)圖3),，比輸出紋波電壓(參見(jiàn)圖2)大10 倍。如果使用三個(gè)輸入電容而非一個(gè),，則輸入紋波電壓仍然比輸出紋波電壓大3 倍以上,。一些客戶要求嚴(yán)格地將輸入紋波電壓控制在100mV以下，由于系統(tǒng)噪聲問(wèn)題,，會(huì)要求使用三個(gè)輸入電容,。另外，相比近正弦波輸出紋波,，輸入電壓波形具有更多鋸齒形,。因此，其高頻諧波更多,。由于紋波要求一般以20MHz帶寬測(cè)量設(shè)置作為標(biāo)準(zhǔn),，所以并不能看見(jiàn)全部的電容雜散電感影響。