了解 DCDC 降压转换器输入电容器中的电流

所有降压转换器的输入端都需要电容器。实际上，在完美的世界中，如果电源具有零输出阻抗和无限电流容量，并且走线具有零电阻或电感，则不需要输入电容器。但由于这种可能性极小，因此最好假设您的降压转换器需要输入电容器。

输入电容器存储电荷，在高侧开关导通时提供电流脉冲;当高侧开关关闭时，它们由输入电源充电(图 1)。

图 1上图显示了降压 DC/DC 开关周期期间输入电容器电流的简化电流波形(假设输出电感无穷大)。

降压转换器的开关动作对输入电容器充电和放电，导致其两端的电压上升和下降。该电压变化代表转换器在开关频率下的输入电压纹波。输入电容器过滤输入电流脉冲，以最大限度地减少输入电源电压的纹波。

电容值决定电压纹波，因此电容器的额定值必须能够承受均方根 (RMS) 电流纹波。 RMS 电流计算假设仅存在一个输入电容器，并且没有等效串联电阻 (ESR) 或等效串联电感 (ESL)。有限的输出电感会导致输入侧的电流纹波，如图2所示。

图 2 TI 的 Power Stage Designer 软件显示输入电容器纹波电流和计算出的 RMS 电流。

并联输入电容器之间的均流

大多数实际实现都使用多个并联输入电容器来提供所需的电容。这些电容器通常包括小值高频多层陶瓷电容器 (MLCC)，例如 100 nF。使用一个或多个较大的 MLCC(10 µF 或 22 µF)，有时还配有一个极化大容量大容量电容器(100 µF)。

每个电容器执行相似但不同的功能;高频 MLCC 可以解耦 DC/DC 转换器中 MOSFET 开关过程引起的快速瞬态电流。较大的 MLCC 以开关频率及其谐波向转换器提供电流脉冲。当输入源的阻抗意味着它无法快速响应时，大容量电容器可提供响应输出负载瞬态所需的电流。

在使用时，大容量电容器具有显着的 ESR，可为输入滤波器的 Q 因数提供一定的阻尼。根据其在开关频率下相对于陶瓷电容器的等效阻抗，电容器在开关频率下也可能具有显着的 RMS 电流。

大容量电容器的数据表指定了最大 RMS 电流额定值，以防止自加热并确保其使用寿命不会缩短。由于 RMS 电流，MLCC 的 ESR 更小，相应的自发热也更小。即便如此，电路设计人员有时也会忽略陶瓷电容器数据表中指定的最大 RMS 电流。因此，了解每个单独输入电容器的 RMS 电流非常重要。

如果您使用多个较大的 MLCC，则可以将它们组合起来，并将等效电容输入均流计算器，以计算并联输入电容器的 RMS 电流。 RMS 电流的计算仅考虑基频。尽管如此，该计算工具还是对单输入电容器 RMS 电流计算的有用改进。

考虑 V IN = 9 V、V OUT = 3 V、I OUT = 12.4 A、f SW = 440 kHz 且 L = 1 µH的应用。三个并联输入电容器可以为 100 nF (MLCC)，ESR = 30 mΩ，ESL = 0.5 nH; 10 µF(MLCC)，ESR = 2 mΩ，ESL = 2 nH;和 100 µF(散装)，ESR = 25 mΩ，ESL = 5 nH。这里的 ESL 包括 PCB 走线电感。

图 3显示了本示例的电容器均流计算器结果。正如预期的那样，100nF 电容器吸收 40mA 的低 RMS 电流。较大的 MLCC 和大容量电容器将其 RMS 电流更均匀地分配，分别为 4.77 A 和 5.42 A。

图 3显示了 TI 的 Power Stage Designer 电容器均流计算器的输出。

实际上，由于所施加的电压，10μF MLCC 的实际电容要低一些。例如，采用 0805 封装的 10μF、25V X7R MLCC 在偏置为 12V 时可能仅提供其额定电容的 30%，在这种情况下，大容量电容器的电流为 6.38A，可能超过其 RMS 额定值。

解决方案是使用更大的电容器封装尺寸并并联多个电容器。例如，采用 1210 封装的 10μF、25V X7R MLCC 在偏置为 12V 时保留其额定电容的 80%。当用于电容器电流中的 C2 时，其中三个电容器的总有效值为 24μF - 共享计算器。

并联使用这些电容器可将大容量电容器中的 RMS 电流降低至 3.07 A，从而更易于管理。并联放置三个 10μF MLCC 还可将 C2 支路的整体 ESR 和 ESL 降低三倍。

100nF MLCC 的低电容及其相对较高的 ESR 意味着该电容器在开关频率及其低次谐波的电流源中几乎不发挥作用。该电容器的功能是消除 DC/DC 转换器 MOSFET 开关瞬间出现的纳秒级电流瞬变。设计者通常将其称为高频电容器。

为了提高效率，必须使用最短(最低电感)的 PCB 布线，将高频电容器尽可能靠近稳压器的输入电压和接地端子放置。否则，走线的寄生电感将阻止该高频电容器对开关频率的高频谐波进行去耦。

使用尽可能小的封装以最小化电容器的 ESL 也很重要。与其 ESR 和阻抗曲线相比，值 <100 nF 的高频电容器有利于特定频率下的去耦。较小的电容器将具有较高的自谐振频率。

同样，应始终将较大的 MLCC 放置在尽可能靠近转换器的位置，以最大限度地降低其寄生轨道电感并最大限度地提高其在开关频率及其谐波方面的有效性。

图 3 还显示，虽然整个输入电容器(如果是单个等效电容器)中的总 RMS 电流为 6 A，但 C1、C2 和 C3 支路中的 RMS 电流之和 > 6 A，并且不遵循基尔霍夫定律现行法律。该定律仅适用于瞬时值，或时变电流和相移电流的复数相加。

使用 PSpice for TI 或 TINA-TI 软件

其应用需要三个以上输入电容器分支的设计人员可以使用 PSpice for TI 仿真软件或 TINA-TI 软件。这些工具可实现更复杂的 RMS 电流计算，包括谐波和基本开关频率，以及使用更复杂的电容器模型，该模型捕获 ESR 的频率相关特性。

TINA-TI 软件可以通过以下方式计算每个电容器支路中的 RMS 电流：运行仿真，单击所需的电流波形将其选中，然后从波形窗口的 Process 菜单选项中选择 Averages。 TINA-TI 软件使用模拟开始和结束显示时间的数值积分来计算 RMS 电流。

图 4显示了仿真视图。为了清楚起见，在本例中，我们省略了 100nF 电容器，因为它的电流非常低，并且会导致开关沿处的振铃。 Power Stage Designer 软件对转换器的总输入电容器电流波形进行分析，计算出输入电流 (I IN )，该电流为 6 A RMS，与图 2 中的值相同。

图 4 TINA-TI 软件的输出显示了电容器支路电流波形和计算出的 C2 中的 RMS 电流。

与忽略 ESR 和 ESL 的理想梯形波形相比，每个支路的电容器电流波形有很大不同。这种差异对于 DC/DC 转换器(例如 TI LM60440)有影响，该转换器具有两个并行电压输入 (V IN ) 和接地 (GND) 引脚。

镜像引脚配置使设计人员能够连接两个相同的并行输入环路，这意味着他们可以将双输入电容(高频和大容量)并联放置在靠近两对电源输入 (PVIN) 和电源接地 (PGND) 的位置引脚。两个并联电流环路还将有效寄生电感减半。

此外，两个镜像输入电流环路具有相等且相反的磁场，允许一定程度的 H 场抵消，从而进一步降低寄生电感(图 5)。图 4 表明，如果您没有仔细匹配并联环路的电容器值、ESR、ESL 和布局以获得相等的寄生阻抗，则并联电容器路径中的电流可能会显着不同。

图 5并行输入和输出环路以对称“蝴蝶”布局显示。

软件工具使用注意事项

要正确指定降压 DC/DC 转换器的输入电容器，您必须了解电容器中的 RMS 电流。您可以根据方程式估算电流，或者更简单地使用 TI 的 Power Stage Designer 等软件工具来估算电流。您还可以使用此工具来估计最多三个并联输入电容器支路的电流，如实际转换器设计中常用的那样。