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2016.10.20 DC/DC

输出电容器的选定

DC/DC转换器的电感和电容器的选定

继电感选择之后,接着进入电容器的选择相关话题。降压型DC/DC转换器所必须的电容器有输出电容器和输入电容器。首先说明输出电容器。电容器的选定与电感的选定同样重要。选定方法或推荐种类等基本上出现于技术规格或相关支持数据,请试着配合并进行确认。

输入电容器和输出电容器的作用

首先,为了理解输入电容器和输出电容器的作用,我们先来重温一下降压型DC/DC转换器的电流的流向。通过理解流向各种电容器的不同电流性质,可以清楚明白应选择哪种电容器。

在“降压转换器的基本工作”中也使用相同图表,框中上方ICO为输出电容器、下方的ICIN为输入电容器的电流波形。输入电容器可从VIN充电,当晶体管Q1为ON时会放出开关电流IDD。比较大的电流会急剧反复流动。输出电容器以输出电压为中心反复与输出纹波电压连动进行充放电工作。

输出电容器的选定

从这里,进入输出电容器的话题。输出电容器的选定的重要因素有以下3个。

1)额定电压

2)额定纹波电流

3)ESR(等效串联电阻)

当然,电容器可施加的电压及纹波电流必须在电容器的最大额定以下。此外,ESR与电感电流相关,且是决定输出纹波电压的重要因素,因此必须充分探讨。

输出电容器的纹波电流如上图的ICO所示是三角波,而其实效值则用下面公式表示。

输出纹波电压是通过上图的电感电流IL纹波ΔIL和输出电容器的容值、ESR、ESL所产生的电压合成波形,用下面公式表示。

如果以波形表示,则为以下图像。

通过开关所产生的电感电流纹波ΔIL将产生与ESR成单纯正比的纹波电压,有些ESL则会产生方形波电压,与电容值部分合成,最下方波形成为最终的输出纹波电压波形。

以下是表示输出纹波电压的公式。电容器的纹波电压和ESR的纹波由于相位偏离,故无法进行单纯的加算,不过却是纹波电压的最差值概算常用的公式。

由此公式可知,输出纹波电压如果要变小的话,须降低ESR,增加输出电容器,提高开关频率,使IL在必要最低限。

近年来,输出电容器中使用叠层陶瓷电容器的例子似乎正逐渐增加。陶瓷电容器由于ESR和ESL非常小,可观察的纹波电压几乎都源自电容值。

关键要点:

・在输出电容器的选定上,额定电压、额定纹波电流、ESR都是重要因素。

・除了平滑化、稳定化之外,当然也与输出纹波电压有密切的关系。

外围元器件的选型方法与PCB布局