电源提示：如何选择陶瓷电容器以满足纹波电流要求

陶瓷电容器非常适合管理纹波电流，因为它们可以过滤开关模式电源产生的大电流。通常将不同尺寸和值的陶瓷电容器并联使用以达到最佳效果。在这种情况下，每个电容器都应满足其允许的纹波电流额定值。

在这篇文章中，我将以降压转换器为例来演示如何选择陶瓷电容器来满足纹波电流要求。（请注意，铝电解电容或钽电容等大容量电容器具有高等效串联电阻（ESR）。当与陶瓷电容器并联时，这些大容量电容器的设计不是为了承受大的纹波电流。因此，我不会在这里讨论它们。）

图 1 显示了降压转换器的基本电路。转换器输入电流 i IN_D由大纹波电流 Δi IN_D 组成。

图 1：降压转换器的基本电路

降压转换器参数为：

· 输入电压 (V IN ) = 12V。

· 允许输入纹波电压 (ΔV IN ) < 0.36V。

· 输出电压 (VO ) = 1.2V。

· 输出电流 (I O ) = 12A。

· 电感峰峰值纹波电流 (ΔIpp) = 3.625A。

· 开关频率 (F SW ) = 600KHz。

· 陶瓷电容器的温升限值 < 10°C。

图 2 显示了输入纹波电流波形。

图 2：输入纹波电流波形

为满足纹波电压要求，陶瓷电容器的有效电容应大于使用公式 1 计算的值：

根据转换器参数和要求，C ce_total应大于 5µF。

所选陶瓷电容器还必须满足纹波电流限制。公式 2 计算纹波电流的均方根 (RMS) 值：

假设 I O = 12A，ΔIpp = 3.625A 和 D = 10%，输入纹波的 RMS 值为 3.615A RMS。

表 1 列出了具有适当额定电压的可用陶瓷电容器的特性。这些电容器具有 10% 的容差。

表 1：电容器特性

虽然一个电容器 A 提供了足够的有效电容来满足纹波电压要求，但其 3.24A RMS的纹波电流额定值略低于转换器产生的电流。再增加一块电容A就可以满足要求，但它比其他更小的电容占用更多的空间和成本。问题是应该添加哪个或多个电容器。为了回答这个问题，我对纹波电流分布进行了分析。图 3 是两个电容器与一个交流电流源并联的简化示意图。

图 3：纹波电流分布示意图

根据欧姆定律，电流分布应符合公式 3：

陶瓷电容器具有较小的 ESR。图 4 显示了两个示例。

图 4：陶瓷电容阻抗 |Z| 和 ESR R 超频

对于低于 1MHz 的频率，我们可以通过 X C = 1/(jωC)来近似陶瓷电容器的阻抗 X C 。因此等式 3 简化为等式 4。根据等式 4，纹波电流与有效电容成正比：

当多个电容器并联时，允许纹波电流与有效电容之比（I RMS -over-C）最低的电容器将首先达到纹波电流额定值。假设 C1 的 I RMS -over-C 低于 C2，公式 5 估计总允许纹波电流 I ∑_RMS_Allow：

当 C1 达到其允许的纹波电流额定值时，通过 C2 的纹波电流将不会超过其允许的纹波电流，如公式 6 所示：

为了使 I ∑_RMS_Allow ≥ I IN_AC_RMS，附加电容应大于由公式 7 计算的电容：

托尔。是这些陶瓷电容器的电容容差。当计算中包含容差时，瓶颈电容器的最坏情况纹波电流不会超过其额定值。

我在表 2 中列出了 I RMS -to-C 比作为参数。

表 2：电容器特性

电容器 A 在 12 VDC偏压下具有高有效电容。为了满足纹波电流要求，我们应该添加一个或多个额外电容器以满足纹波电流要求。由于电容器 A 具有最低的 I RMS与 C 之比，因此添加的有效电容 C 附加值应大于使用公式 8 计算的值：

有两种选择。第一种选择是添加一块电容器 B。第二种选择是添加一块电容器 C 和两块电容器 D。两种选择都提供足够的附加有效电容并占用相似的印刷电路板 (PCB) 区域。由于后一种方案性价比更高，所以我选择了第二种方案。

为了验证我的假设，我进行了 PSPICE 模拟；图 5 显示了我使用的电路。对于典型情况，我还使用了电容器的标称值。

图 5：纹波电流分布仿真电路

图 6 显示了电容器纹波电流的仿真波形和 RMS 值，它们是：

· 我CA_RMS_typ = 3.13A RMS。

· 我CC_RMS_typ = 0.353A RMS。

· 我CD_RMS_typ = 0.081A RMS。

· V IN纹波电压 = 0.299V。

图 6：每个陶瓷电容器的模拟纹波电流波形

然后，我使用了电容器值，这会使电容器 A（瓶颈电容器）出现最坏的情况。

电容器纹波电流的 RMS 值为：

· 我CA_RMS_max = 3.206A RMS。

· 我CC_RMS_min = 0.306A RMS。

· 我CD_RMS_min = 0.070A RMS。

每个电容器都满足其允许的纹波电流额定值。

并联使用不同尺寸的陶瓷电容器提供了一种紧凑且经济高效的方式来过滤大纹波电流。但是对于不同的电容和纹波电流额定值，很难确定总允许纹波电流。在这篇文章中，我提出了一个参数，称为允许纹波电流与有效电容比，I RMS /C。I RMS /C 帮助我们找到允许纹波电流的瓶颈电容。使用最低的 I RMS /C 来估计总允许纹波电流并选择额外的电容器。请注意，PCB 寄生效应会极大地影响电路性能。这种方法提供了一个很好的估计；但是，我们必须凭经验验证设计。